¿Los materiales que brillan en la oscuridad iluminarán algún día nuestras ciudades?

Allá por el año 1603, el zapatero italiano y alquimista aficionado Vincenzo Casciarolo trató de fundir una piedra especialmente densa que había hallado en las laderas del monte Paderno, cerca de Bolonia. No logró convertirla en oro, plata u otros metales preciosos como esperaba. Sin embargo, después de que la piedra se enfrió, Casciarolo descubrió algo interesante: si exponía el material a la luz del sol y después lo llevaba a una habitación oscura, la piedra brillaba.

Esa “piedra de Bolonia” fue la  primera sustancia preparada artificialmente con luminicencia persistente.  Le siguieron muchas más —y hoy, los materiales luminiscentes persistentes se usan en decoraciones, luces de emergencia, señales viales y en imágenes médicas—.

Algún día, quizás nos den ciudades brillantes que se mantienen frescas y usan menos electricidad.

Una  nueva generación de materiales luminiscentes  tiene el potencial para enfriar las ciudades, al reemitir la luz que, de otra manera, se convertiría en calor. También podrían reducir el uso de energía, ya que aceras luminiscentes, marcas luminiscentes en las calles e, incluso, edificios luminiscentes podrían reemplazar el alumbrado en las vías. En algunas ciudades de Europa ya se han instalado ciclovías luminiscentes, y algunos investigadores han estudiado la opción de usar  pintura luminiscente para hacer las marcas viales.

“Es mejor para el medioambiente”, dice Paul Berdahl, físico ambientalista retirado del Laboratorio Nacional Lawrence Berkeley, en Berkeley, California. “Si se puede mejorar la tecnología, podemos usar menos energía... Es algo que merece la pena hacer”.

La piedra de Bolonia, una forma del mineral barita, maravilló a los filósofos naturalistas de aquella época, pero nunca fue especialmente útil. Sin embargo, en los años noventa, los químicos inventaron nuevos tipos de materiales fotoluminiscentes persistentes, tales como el aluminato de estroncio, que podían mantener un brillo intenso durante varias horas después de ser expuestos a la luz. La mayoría de estos nuevos materiales emiten un resplandor azul o verde, aunque hay algunos que emiten un resplandor de color amarillo, rojo o anaranjado.

El principio de funcionamiento de estos materiales fotoluminiscentes consiste en “atrapar” la energía de los fotones y luego volver a emitirla como luz con una longitud de onda menor. A veces la luz es reemitida de inmediato, como en los focos fluorescentes. Otros materiales, denominados materiales persistentemente luminiscentes, almacenan la energía durante más tiempo y la emiten más lentamente.

Estos materiales que brillan con intensidad durante horas ofrecen nuevas posibilidades, como ciudades “que brillan en la oscuridad” iluminadas mediante pavimentos y edificios luminiscentes. Dado a que el  19 % de todo el consumo mundial de energía se destina a iluminación, y en Europa  alrededor del 1,6 % específicamente a iluminación urbana, el potencial de ahorro de energía es tremendo, escriben la ingeniera en construcción Anna Laura Pisello y sus colegas  en la edición de 2021 de  Annual Review of Materials Research.

Uno de los problemas de este enfoque es que la mayoría de los materiales luminiscentes no alcanzan a brillar toda una noche. Según Pisello, investigadora de la Universidad de Perugia que estudia materiales de construcción de bajo consumo de energía, ese problema se podría resolver con mejores materiales. Mientras tanto, los materiales existentes podrían combinarse con iluminación eléctrica, que se encendería durante el tiempo necesario para recargar las marcas viales antes de volver a apagarse.

Los espacios abiertos también podrían iluminarse con pintura luminiscente. El laboratorio de Pisello inventó una  pintura luminiscente de este tipo y,  en un informe de 2019, simularon qué sucedería si se pintara un camino público cerca de una estación de trenes con esta pintura. Los científicos hallaron que, si brillara durante toda la noche, la pintura reduciría la cantidad de energía necesaria para iluminación en alrededor de un 27 % en la zona inmediatamente circundante.

Si le preocupa que ciudades enteras brillen durante toda la noche y se agrave el problema de la  contaminación lumínica, Pisello dice que es poco probable. Los materiales luminiscentes probablemente reemplazarían la luminaria existente, en lugar de añadirse a esta. Se podría elegir el color de los materiales luminiscentes para evitar las frecuencias azules que, según se ha descubierto, son dañinas para la vida silvestre.

Los materiales luminiscentes también podrían contribuir a combatir lo que se llama el efecto de la isla urbana de calor. Los tejados y los pavimentos absorben la energía del sol y la emiten como calor, lo que provoca que las temperaturas de las ciudades en verano suban, en promedio, 7,7 grados Celsius en comparación con las zonas rurales aledañas. Las temperaturas altas suponen un riesgo para la salud y también se traducen en un aumento del consumo de energía destinado a enfriar los edificios.

Una solución cada vez más común es usar materiales “fríos” que reflejan la luz, tales como pintura blanca y asfalto de color claro. Resulta que agregar materiales luminiscentes podría ayudar aún más.

En el Laboratorio Lawrence Berkeley, Berdahl y su  equipo experimentaron con rubíes sintéticos, un material que es luminicente cuando se expone a la luz solar, para fabricar revestimientos de color que se mantienen fríos. En uno de los primeros experimentos, observaron que una superficie con pigmento de rubí expuesta al sol se mantenía más fría que un material de un color similar sin el pigmento especial.

En el laboratorio de Pisello fueron un paso más allá y  agregaron varios materiales persistentemente luminiscentes —de los que almacenan la energía de la luz y la emiten lentamente—  al  hormigón. Comparados con las superficies no luminiscentes del mismo color, los mejores de estos materiales disminuían en hasta 3,3  grados Celsius la temperatura del aire circundante en días soleados.

“Se puede hacer [una superficie] tan reflectante como queramos. Pero ¿se puede ir más allá? La idea es que quizás se pueda ir un poco más allá mediante el uso de luminiscencia persistente como otra forma de expulsar energía... Es interesante”, dice Patrick E. Phelan, ingeniero mecánico de la Universidad Estatal de Arizona y  coautor de un artículo sobre el efecto de la isla urbana de calor  publicado en  Annual Review of Environment and Resources.

Se conocen 250  materiales luminiscentes, muchos de los cuales aún no han sido estudiados para aplicaciones prácticas. Pisello dice que hay muchas posibilidades de crear pinturas y pavimentos luminiscentes que brillen durante más tiempo, con más intensidad y en más colores.

“En el corto plazo, la mejor solución, y la más sencilla, es mejorar lo que ya tenemos”, agrega. Esto incluye retocar los materiales para que emitan luz durante más tiempo, con más intensidad o en distintos colores, y asegurarse de que sigan funcionando en situaciones reales.

En el largo plazo, agrega, los nuevos tipos de materiales artificiales podrían funcionar aún mejor. Por ejemplo, podríamos recurrir a los “puntos cuánticos” —partículas semiconductoras diminutas a las que se puede hacer brillar y que ya  se usan en técnicas de imágenes en biología — o a las perovskitas, que son materiales que se usan en las celdas solares y cuyas propiedades luminiscentes también están en investigación.

Artículo traducido por Language Scientific