Investigadores de la Universidad Nacional de Investigación de la Escuela Superior de Economía (HSE) y del Instituto de Síntesis Petroquímica de la Academia de Ciencias de Rusia han realizado un avance significativo en el control de la luminescencia de los elementos de tierras raras. Tradicionalmente, la emisión de luz de estos elementos es predecible, siendo el cerio conocido por emitir principalmente luz en el rango ultravioleta. Sin embargo, el equipo de científicos ha demostrado que es posible alterar esta propiedad fundamental.
En su estudio, publicado en la revista Optical Materials, los investigadores crearon un entorno químico en el que un ion de cerio comenzó a emitir una luz amarilla. Este descubrimiento podría tener importantes aplicaciones en el desarrollo de nuevas fuentes de luz, pantallas y láseres, ampliando así el potencial de uso de estos elementos en diversas tecnologías.
El mecanismo detrás de la luminescencia
Los elementos de tierras raras son valorados en microelectrónica, LEDs y materiales fluorescentes gracias a su capacidad para emitir luz en colores bien definidos, lo cual depende de cómo se comportan sus electrones al absorber y liberar energía. Este proceso, conocido como luminescencia, ocurre cuando un átomo absorbe energía—ya sea de la luz o de una corriente eléctrica—y uno de sus electrones se excita a un nivel de energía superior. Este estado excitado es inestable, y tras un breve período, el electrón regresa a su nivel original, liberando la energía sobrante como luz.
En el caso de los elementos de tierras raras, la emisión de luz se debe a transiciones electrónicas entre los orbitales 4f, los cuales están localizados profundamente dentro del átomo y tienen una interacción mínima con el entorno circundante. Por otro lado, los orbitales 5d son más sensibles a las influencias externas, pero generalmente no contribuyen a la luminescencia de los lantánidos debido a su energía excesivamente alta.
El equipo de investigación ha demostrado que es posible modificar el color de la radiación al ajustar el entorno químico de los metales. Para ello, sintetizaron complejos de cerio, praseodimio y terbio utilizando ligandos orgánicos—moléculas que rodean los iones metálicos. Estos ligandos no solo dan forma a la geometría del complejo, sino que también influyen en sus propiedades lumínicas.
Los investigadores observaron que en los nuevos complejos, la emisión de cerio se desplazó del rango ultravioleta a la región roja, alcanzando longitudes de onda de hasta 655 nanómetros. Este cambio indica que la brecha de energía entre los niveles 4f y 5d se ha reducido, lo que también fue observado en otros lantánidos estudiados, afectando su espectro de luminescencia.
Dmitrii Roitershtein, supervisor académico del programa de Química de Sistemas Moleculares y Materiales, explicó que el proceso de transferencia de energía en estos nuevos compuestos es diferente: la energía no se transfiere directamente a los electrones 4f, sino a través de un estado intermedio 5d. Este entendimiento abre la puerta a un diseño más eficiente de materiales con propiedades lumínicas específicas, evitando el tedioso proceso de prueba y error que hasta ahora ha caracterizado este campo de estudio.
Con estos avances, los investigadores consideran que podrán predecir el espectro de luminescencia, lo que facilitaría la creación de nuevas y avanzadas fuentes de luz, un área de gran relevancia para el desarrollo tecnológico contemporáneo.
