Un equipo internacional de investigación, que ha contado con la participación del Instituto de Ciencia de los Materiales de la Universitat de València, 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 células solares, entre otras aplicaciones. El trabajo abre las puertas de la luminescencia más avanzada en las nanopartículas de lantánidos, al haber superado un nivel de eficiencia hasta ahora casi exclusivo de los materiales convencionales.
Los materiales de conversión ascendente tienen la capacidad de emitir luz en la región visible o ultravioleta, partiendo de fotones de menor energía, y son útiles para una 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 rivalizan con los micromateriales para aumentar con sus múltiples posibilidades los avances en estos campos.
Una característica importante 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 los materiales convencionales.
Sin embargo, uno de los grandes problemas de la conversión ascendente es la baja eficiencia de emisión de luz de los materiales utilizados, especialmente si se trata de nanopartículas, ya 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.
Mayor eficiencia de conversión
En este contexto, los investigadores han conseguido desarrollar nanopartículas de lantánidos mucho más eficientes para la conversión óptica ascendente y superar la capacidad lumínica de los materiales convencionales. El trabajo, 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 es causado por 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 gran rendimiento cuántico de conversión ascendente, que convierte hasta un 26% de los fotones.
Los investigadores han utilizado algunos átomos como sensibilizadores especializados en absorber la excitación y transferir la energía al átomo emisor para que produzca luz. Esto lo han conseguido sintetizando nanopartículas en forma de cebolla de tres capas, con una precisión casi atómica. Este hallazgo tiene grandes ventajas para múltiples aplicaciones tecnológicas prácticas, como las células solares, con exigencias que no se podía cumplir hasta ahora debido a los bajos niveles de eficiencia lumínica de estos nanomateriales.
Este desarrollo supone un avance significativo que transforma la concepción convencional de la conversión ascendente de lantánidos establecida en la década de 1960. Este avance transforma la comprensión existente de la imagen física de la transferencia de energía entre iones de lantánidos, lo que provocará avances en el diseño de materiales de luminescencia para sus futuras aplicaciones en nanofotónica y biofotónica.