El Dr. Daniel Aravena, académico del Departamento de Química de los Materiales de la Universidad de Santiago de Chile (Usach), lidera un proyecto Fondecyt Regular que busca crear un modelo computacional para predecir las propiedades de emisión de luz en materiales inorgánicos. El estudio combina simulaciones en computador con experimentos en laboratorio usando compuestos de cobre, plata, oro y lantánidos, con el fin de hacer más eficiente y sustentable el desarrollo de tecnologías como pantallas, sensores y dispositivos médicos. La iniciativa cuenta con el apoyo de la Dirección de Investigación Científica y Tecnológica (Dicyt-Usach).
Cuando encendemos la pantalla de un celular, una linterna LED o un dispositivo que brilla en la oscuridad, lo que ocurre a nivel microscópico es un proceso llamado emisión de luz o luminiscencia. Este fenómeno sucede cuando un material recibe energía, excitando a sus electrones que, cuando vuelven a su estado normal, liberan energía que se transforma en luz.
Esa luz puede ser visible, como los colores que vemos en una pantalla, o invisible, como el infrarrojo que se utiliza en dispositivos tecnológicos. Pero para que un material sea realmente útil, necesita transformar la mayor parte de la energía que recibe en luz, pues si desperdicia mucha energía en forma de calor, su brillo será débil o poco eficiente. Por eso, mientras más luz logre emitir en comparación con la energía que absorbió, mejor será su desempeño.
¿El gran problema? Hasta ahora, no existe una forma confiable de saber, sin pasar por un laboratorio, que un material va a ser eficiente emitiendo luz. Los investigadores deben fabricar muchos compuestos distintos, probar uno por uno y analizar cuál funciona mejor. Este proceso toma tiempo, cuesta dinero y muchas veces genera residuos químicos que podrían evitarse. Además, como hay miles de posibles combinaciones entre elementos y estructuras químicas, es imposible probarlas todas, limitando el desarrollo rápido y sostenible de nuevas tecnologías basadas en luz.
Modelo predictivo
Para enfrentar este desafío, el Dr. Daniel Aravena, académico del Departamento de Química de los Materiales de la Universidad de Santiago de Chile (Usach), lidera un proyecto Fondecyt Regular que desarrolla un modelo computacional que permita predecir qué materiales tienen más probabilidades de emitir luz eficientemente, sin necesidad de fabricarlos primero. La idea es que, con ayuda de simulaciones avanzadas, sea posible identificar cuáles compuestos vale la pena estudiar en el laboratorio, reduciendo así el tiempo, el esfuerzo y los residuos asociados al ensayo y error, mejorando la eficiencia y disminuyendo el impacto ambiental del trabajo de laboratorio.
“Lo que queremos es construir un modelo computacional que pueda predecir el rendimiento cuántico de un material, es decir, cuánta luz va a emitir en relación con la energía que absorbe. Vamos a combinar simulaciones teóricas con experimentos muy detallados en laboratorio. Mientras diseñamos y analizamos compuestos en el computador, otros equipos colaboradores se encargan de sintetizarlos y medir con precisión cómo emiten luz en distintas condiciones, como temperatura o tiempo. El objetivo es que todos esos datos alimenten el modelo, para que en el futuro podamos identificar los materiales más prometedores sin necesidad de fabricar cada opción”, explica el académico.
El proyecto se desarrollará a través de una estrecha colaboración entre teoría y experimento. Por un lado, el equipo del Dr. Aravena trabajará con herramientas computacionales para simular cómo distintos materiales se comportan cuando reciben energía, estimando cuánta luz podrían llegar a emitir. Estas simulaciones permitirán identificar patrones y relaciones entre la estructura química de los compuestos y su eficiencia luminosa.
Por otro lado, los materiales serán sintetizados y estudiados experimentalmente por equipos especializados en la Usach, la Universidad de Chile y laboratorios asociados en Brasil y España. Allí se realizarán mediciones detalladas de la emisión de luz de los compuestos, considerando variables como el tiempo, la temperatura y el tipo de energía utilizada, lo que permitirá validar y ajustar el modelo, de manera que sus predicciones sean cada vez más precisas y útiles para el diseño de nuevos materiales.
“Este proyecto tiene un desafío experimental muy grande, necesitamos datos que no son fáciles de obtener, como medir cómo emiten luz los materiales en distintas temperaturas, incluyendo rangos muy bajos, cerca del cero absoluto. Para eso estamos colaborando con el grupo del profesor Ricardo Costa de Santana en Brasil y con el profesor Juan Cabanillas en Madrid, que cuentan con el equipamiento necesario para hacer estas mediciones con alta resolución temporal. Son aportes clave que nos permiten construir una base de datos realmente útil para alimentar y validar nuestro modelo”, comenta el académico.
Aunque el foco del proyecto está en comprender mejor cómo se produce la emisión de luz a nivel molecular, sus posibles aplicaciones son muy amplias, ya que los materiales luminiscentes se utilizan en pantallas, luces LED, sensores, dispositivos médicos, etiquetas de seguridad e incluso en tecnologías para visualizar procesos dentro del cuerpo humano. Al desarrollar un modelo que permita predecir qué compuestos son los más prometedores para cada aplicación, se abre la posibilidad de diseñar materiales más eficientes y adaptados a distintas necesidades, sin tener que depender de largas etapas de prueba.
“Si logramos establecer este modelo, podemos colaborar con grupos de alto nivel en el desarrollo de tecnologías emisivas más eficientes, sería un gran paso para Chile. Eso haría la investigación más rápida, más limpia y más estratégica, y nos permitiría aportar desde la ciencia fundamental al desarrollo de nuevas tecnologías con aplicaciones reales”, concluye el académico Usach.
Texto y fotografía: Camilo Araya Bernales
