Convirtiendo hacia arriba

Autor: 

Dr Roberto Mulet
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28 Diciembre 2015
| |
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Hoy quiero escribir sobre unos materiales poliméricos que estudié hace un par de años, diseñados para realizar eficientemente un proceso conocido como up-conversion o conversión hacia arriba en la terrible traducción al español.

El proceso, en pocas palabras, consiste en lo siguiente: El material absorbe dos fotones, cada uno de energía hν y emite uno de energía mayor. Digamos para simplificar, 2hν.

Comúnmente estos materiales están compuestos por dos tipos de moléculas, una que llamamos (S), que absorbe los fotones de baja energía y otra que llamamos (E), que emiten los fotones de alta energía.

La up-conversion se puede entender de la siguiente forma: cuando llega un fotón de baja energía, este es absorbido por una molécula (S), la cual se excita; más explícitamente, cambia la forma de la distribución electrónica que rodea a algunos de sus átomos. Tal excitación se mueve entonces por el material, esencialmente "saltando" de molécula S a molécula S o E. Pero cuando dos de estas excitaciones se encuentran en una molécula E, se “aniquilan” emitiendo un fotón de mayor energía.

Un experto en el tema me contaba que estos materiales eran ya conocidos en los años 60, pero que la industria militar absorbió el know-how de la época y lo silenció. Se poseía un material, que al iluminarse, digamos con luz verde, emitía luz amarilla o roja. ¿Un excelente camuflaje? No sé. Recientemente el tema recobró interés pero con otro objetivo: la tecnología de celdas solares.

Todas las celdas solares aprovechan solo una parte del espectro solar. Ello quiere decir que los fotones de baja energía que nos llegan del sol no contribuyen a la generación de portadores electrónicos. En términos menos técnicos, no ayudan a la producción de corriente eléctrica. La idea entonces es diseñar celdas solares donde estos materiales funcionen como una primera capa, absorban los fotones de baja energía (hν) y los transmitan a la celda como fotones de alta energía (2hν) que ésta sí absorbe y, por tanto, puede convertir en corriente. De esta manera, se podría aprovechar todo el espectro solar.

A mí el problema me pareció interesante no solo por su carácter aplicado, sino porque me permitía hacerme preguntas simples y concretas. ¿Cuál es la concentración ideal de moléculas S y E? Nótese que si se tienen muchas moléculas S y pocas E, casi nunca ocurrirá la aniquilación que permite la emisión de fotones de alta energía.  Por otra parte, si hay pocas moléculas S, habrá escasa absorción de fotones y se generarán pocas excitaciones.

Finalmente, y de manera menos técnica, me pareció un área de colaboración ideal para químicos y físicos. Los primeros, en general, tiene un mejor control de las técnicas de diseño y producción de estos materiales; es parte de su cultura trabajar con polímeros y entender la excitación de una molécula en su interacción con la luz. Por otro lado,  los físicos suelen dominar mejor los métodos de caracterización eléctrica y óptica y,  sobre todo, la teoría detrás de los mecanismos de transporte en materiales complejos.

¿Puede desarrollarse una colaboración de ese tipo en nuestro país? No sé, pero en el mundo, ya está en camino y probablemente pronto nos entregará nuevas celdas solares.

 

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