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Química

Marcadores de colores

Los materiales luminiscentes verifican la autenticidad de billetes y documentos

quimicaEduardo CesarLos billetes recubiertos con películas poliméricas sumamente delgadas y translúcidas pueden convertirse en una solución moderna para garantizar la autenticidad de la moneda de un país. Al ser iluminados con luz ultravioleta, por ejemplo, éstos emiten como respuesta una luminiscencia rojiza que comprueba la veracidad del papel moneda. Este recurso tecnológico, que puede extenderse a otros productos pasibles de falsificación, tales como pasaportes, cédulas de identidad o registros de conducir, además de documentos oficiales, se halla en proceso de patentado por parte de la Agencia USP de Innovación, que administra las patentes de la Universidad de São Paulo. El grupo de inventores cuenta con la dirección del químico Hermi Felinto de Brito, profesor del Instituto de Química de la USP, quien desde la década de 1980 trabaja con los elementos químicos denominados tierras raras, la materia prima que forma parte de estas películas poliméricas.

Las tierras raras son en realidad metales y componen un grupo de 15 elementos conocidos bajo la denominación de lantánidos los comprendidos en la Tabla Periódica entre el lantano (La) y ellLutecio (Lu) aparte de otros dos, el escandio (Sc) y el itrio (Y). El término rara se otorgó a este grupo de elementos porque en la época del descubrimiento de los primeros representantes del mismo, que presenta propiedades muy similares entre sí, en el siglo XVIII, además de ser de difícil separación de otros minerales, sólo se encontraban en Escandinavia, en Europa. Actualmente son hallados en todo el mundo. En Brasil, el 10º productor mundial, son comunes en las arenas monacíticas de la región sudeste. En cuanto a la designación de tierras, la explicación reside en que inicialmente fueron aislados en forma de óxidos, en composición con el oxígeno, sustancias que en la época recibían el nombre de tierras. Aunque poco populares, estos elementos poseen propiedades luminiscentes y se utilizan, por ejemplo, en lámparas fluorescentes, aparatos de diagnóstico médico y para formar las imágenes en las pantallas de televisores, computadoras y celulares. Pese a colorear las pantallas de televisión, en la naturaleza los metales tierras raras no son demasiado llamativos. Normalmente varían entre el gris oscuro y plateado y son blandos y flexibles. Pero se vuelven atrayentes bajo la forma de iones (átomos o moléculas con pérdida de electrones) para algunas tecnologías, debido a su capacidad de emitir luz de colores, luego de ser sometidos a una fuente de excitación, que puede ser radiación electromagnética (rayos X, ultravioletas, luz visible, infrarrojo), un haz de electrones, calor, electricidad, energía mecánica, y reacciones químicas o biológicas.

En el caso de algunos elementos del grupo de las tierras raras bajo la forma de iones, tales como el europio (Eu), el terbio (Tb) y el tulio (Tm), cuando son sometidos a la radiación ultravioleta, emiten los colores primarios, rojo, verde y azul respectivamente. Para que un material emita luz es necesario que absorba una cantidad suficiente de energía proveniente de una fuente de excitación, dice Brito, como por ejemplo, en el fenómeno denominado persistencia lumínica. Esto sucede porque, al ser excitados, los electrones de estos materiales absorben y acumulan la energía que reciben. Una vez que cesa la excitación, se relajan paulatinamente y retornan a su estado normal, liberando durante el proceso el exceso de energía adquirida en forma de fotones, que componen la luz visible, o la luz de color emitida por el material. Existen dos formas en que puede ocurrir esta emisión: una rápida, denominada fluorescencia, en la que todo el proceso se realiza en un lapso muy corto (nanosegundos), y otra más lenta, la fosforescencia, que puede persistir durante un lapso muy largo, que varía desde milisegundos hasta horas.

quimicaEduardo CesarPara que eso ocurra, sin embargo, los investigadores tienen que superar otra propiedad de los iones tierras raras. Éstos presentan bajo coeficiente de absortividad molar, o sea, absorben poca energía de las fuentes de excitación, explica Brito. Para superar esta deficiencia, utilizamos aniones (moléculas orgánicas) como ligantes, o también moléculas neutras consideradas donantes de pares de electrones, con el objetivo de colectar la luz de manera eficaz.

En términos prácticos, el ión tierra rara queda envuelto por moléculas orgánicas, tales como dicetonatos, carboxilatos y sulfóxidos. Son estos ligantes los que absorben la energía de excitación con mayor eficiencia y la transfieren al ión tierra rara, que luego la libera bajo la forma de luz de color.

Más barato
De acuerdo con Brito, la cantidad investigaciones sobre fotoluminiscencia de las tierras raras está aumentando significativamente en el mundo, debido a las prometedoras propiedades ópticas de esos sistemas. Varios compuestos elaborados con estos metales ya están siendo aplicados, por lo tanto debe considerarse el estudio de diseño molecular (síntesis) que existe detrás de esos productos, dice Brito. La reducción de su precio también contribuye al aumento del interés científico y tecnológico por esos materiales. Hace diez años, los compuestos elaborados con tierras raras eran muy caros, pero ahora, el precio ha caído bastante, explica. Para nuestras investigaciones, normalmente utilizamos sistema de dopaje (apenas un 1% de tierras raras), lo cual también abarata el producto. El elemento menos abundante de esa serie, el tulio, es más común en la naturaleza que el oro, la plata y el platino. A efectos comparativos, se calcula que la corteza terrestre contiene un 0,02% de lantánidos y 0,00002% de plata. Siendo así, el tulio es mil veces más abundante que el metal precioso.

En la USP, Brito utiliza la estrategia de preparación de una serie de nuevos compuestos de tierras raras altamente luminiscentes que pueden utilizarse como dispositivos moleculares emisores de luz. En total, él y su grupo ya crearon y probaron alrededor de 200 compuestos elaborados con base en dichos elementos, como son el europio, el terbio y el tulio. Incorporan, principalmente, los dos primeros elementos con un plástico y producen una fina película. ese film polimérico dopado presenta una característica bicolor, que, bajo la acción de radiaciones en diferentes longitudes de onda, emite distintos colores, explica Brito. Cuando es excitado con una lámpara ultravioleta, que tiene corta longitud de onda (255 nanómetros), emite un color verde. Si fuera excitado con una luz con longitud de onda un poco más larga (365 nanómetros), emite el rojo. Una de las ventajas de este sistema bicolor reside en la utilización para la identificación de la legitimidad de documentos con mayor seguridad y precisión, por poseer dos marcadores ópticos dentro de un mismo sistema.

quimicaSegún Brito, aparte de la capacidad para emitir dos colores, la estabilidad térmica y la facilidad del procesamiento de esa película dopada con iones tierras raras hacen de ella un material atractivo para varias aplicaciones como marcadores fotónicos. Estos materiales pueden aplicarse en el área de seguridad, como es el caso de una impresión digital, por ejemplo, en los billetes. Brito revela que la patente depositada por la USP en el Instituto Nacional de Propiedad Industrial (INPI) atinente a la película polimérica bicolor, llamó la atención de los técnicos del Banco Central, quienes han demostrado interés en conocer la tecnología para su posible uso como marcador de billetes de reales. Brito dice también que los billetes de euros ya poseen estos marcadores, pero elaborados con otros compuestos.

El proyecto
Preparación y estudio fotoluminiscente de la persistencia luminosa de los materiales dopados con iones tierras raras (nº 05/01216-0); Modalidad Apoyo Regular a Proyecto de Investigación; Coordinador
Hermi Felinto de Brito USP; Inversión R$ 191.572,77 y US$ 6.076,94 (FAPESP)

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