¿Algún día los materiales que brillan en la oscuridad iluminarán nuestras ciudades? | Ciencias

Carril bici Van Gogh

El carril bici de Van Gogh en Eindhoven está inspirado en la pintura del artista La noche estrellada. Caminos y caminos similares que brillan en la oscuridad podrían eventualmente ahorrar energía para la iluminación mientras enfrían las ciudades.
Dan Roosegaarde / studioroosegaarde.net

Hacia el año 1603, el zapatero y alquimista aficionado italiano Vincenzo Casciarolo intentó fundir una piedra especialmente densa que había encontrado en las laderas del monte Paderno, cerca de Bolonia. Ningún oro, plata u otros metales preciosos resultaron como él esperaba. Pero después de que la piedra se enfrió, Casciarolo descubrió algo interesante: si exponía el material a la luz del sol y luego lo llevaba a una habitación oscura, la piedra brillaría.

Esa «Piedra de Bolonia» fue la primera sustancia artificialmente preparada, persistentemente luminiscente. Le seguirían muchos más, y hoy en día, los materiales luminiscentes persistentes se utilizan para decoraciones, iluminación de emergencia, marcas en el pavimento e imágenes médicas.

Algún día podrían darnos ciudades brillantes que se mantengan más frescas y consuman menos electricidad.

A nueva generación de materiales luminiscentes tiene el potencial de enfriar las ciudades al volver a emitir luz que de otro modo se convertiría en calor. También podrían reducir el uso de energía, ya que las aceras luminiscentes, los marcadores de carreteras brillantes o incluso los edificios brillantes podrían reemplazar parte del alumbrado público. Algunas ciudades de Europa ya han instalado carriles bici luminosos, y algunos investigadores han estudiado el uso de pintura brillante para marcas viales.

«Es mejor para el medio ambiente», dice Paul Berdahl, un físico ambiental ahora jubilado del Laboratorio Nacional Lawrence Berkeley en Berkeley, California. «Si se puede mejorar la tecnología, podemos usar menos energía … Es algo que vale la pena hacer».

La Piedra de Bolonia, una forma de barita mineral, fascinó a los filósofos naturales en ese momento, pero nunca fue especialmente útil. Pero en la década de 1990, los químicos desarrollaron nuevos tipos de materiales fotoluminiscentes persistentes, como el aluminato de estroncio, que mantenían un brillo intenso durante horas después de la exposición a la luz. La mayoría de estos nuevos materiales emiten un resplandor azul o verde, aunque algunos brillan en amarillo, rojo o naranja.

Estos materiales fotoluminiscentes funcionan “atrapando” la energía de un fotón y luego reemitiendo esa energía como luz de menor longitud de onda. A veces, la luz se emite inmediatamente, como en una bombilla fluorescente. Otros materiales, que se denominan luminiscentes persistentes, almacenan la energía durante más tiempo y la emiten más lentamente.

¿Algún día los materiales que brillan en la oscuridad iluminarán nuestras ciudades?

Se han identificado más de 250 tipos de materiales luminiscentes. Arriba están agrupados por a) los materiales traza que actúan como centro luminiscente; b) el compuesto huésped; yc) el color que emite el material.

Adaptado de C. Chiatti et al. / Investigación de materiales AR 2021

Estos materiales que brillan intensamente durante horas abren posibilidades, como ciudades que “brillan en la oscuridad” iluminadas por aceras y edificios luminiscentes. Ya que El 19 por ciento de todo el uso global de energía es para iluminación., y en Europa alrededor del 1,6 por ciento específicamente para el alumbrado público, los ahorros de energía potenciales son grandes, escriben la ingeniera de construcción Anna Laura Pisello y sus colegas en el 2021 Revisión anual de la investigación de materiales.

Un problema con el enfoque es que la mayoría del material luminiscente no brillará durante toda la noche. Mejores materiales podrían ayudar a resolver ese problema, dice Pisello, de la Universidad de Perugia, que estudia materiales de construcción energéticamente eficientes. Mientras tanto, los materiales existentes podrían combinarse con iluminación eléctrica que se encendería el tiempo suficiente para recargar las marcas viales antes de apagarse nuevamente.

La pintura luminiscente también podría proporcionar iluminación al aire libre. El laboratorio de Pisello desarrolló una pintura que brilla en la oscuridad y en un informe de 2019, simuló lo que sucedería si pintaran un camino público cerca de una estación de tren con él. Al brillar durante toda la noche, la pintura reduciría la energía necesaria para la iluminación en aproximadamente un 27 por ciento en el área inmediata, encontraron los científicos.

Si esto evoca preocupaciones de ciudades enteras que se deslumbran durante la noche y se suman a contaminación lumínica nocivaPisello dice que es poco probable. Es probable que los materiales luminiscentes solo reemplacen la iluminación existente, no la agreguen. El color de los materiales brillantes podría elegirse para evitar las frecuencias azules que se han encontrado especialmente dañinas para la vida silvestre.

Los materiales luminiscentes también podrían ayudar a combatir lo que se conoce como el efecto isla de calor urbano. Los tejados y las aceras absorben la energía del sol y la emiten en forma de calor, lo que hace que las temperaturas de verano de la ciudad sean un promedio de 7,7 grados centígrados más altas que en el campo circundante. Las altas temperaturas son un peligro potencial para la salud y también hacen que se utilice más energía para enfriar los edificios.

Una solución cada vez más común es utilizar materiales «fríos» que reflejen la luz, como pintura blanca y asfalto de color claro. Resulta que agregar materiales luminiscentes puede ayudar aún más.

¿Algún día los materiales que brillan en la oscuridad iluminarán nuestras ciudades?

Anna Laura Pisello y sus colegas de la Universidad de Perugia están tratando de crear pavimentos prácticos que brillen en la oscuridad. Están experimentando con diferentes sustancias luminiscentes y probando cómo agregarlas al material del pavimento para obtener el mejor rendimiento y durabilidad. Arriba hay muestras de materiales luminiscentes y un adoquín en el que se han incrustado.

Cortesía de Anna Laura Pisello

En el Lawrence Berkeley Lab, Berdahl y su equipo experimentó con rubí sintético, un material que es luminiscente a la luz del sol, para hacer revestimientos de colores que se mantienen fríos. En un experimento temprano, informaron que una superficie pigmentada con rubí permanecía más fría al sol que un material de color similar sin el pigmento especial.

El laboratorio de Pisello fue un paso más allá y agregó varios materiales persistentemente luminiscentess – los que almacenaron energía luminosa y la emitieron lentamente – para hormigón. En comparación con las superficies no luminiscentes del mismo color, las mejores redujeron la temperatura del aire circundante en los días soleados hasta en 3,3 ° C.

«Puedes hacer [a surface] lo más reflectante posible. ¿Pero puedes ir más allá de eso? La idea es que tal vez puedas ir un poco más allá usando la luminiscencia persistente como otra forma de transferir energía … Es interesante ”, dice Patrick E. Phelan, ingeniero mecánico de la Universidad Estatal de Arizona, quien coautor de un artículo sobre el efecto isla de calor urbano en el Revisión anual de medio ambiente y recursos.

Hay 250 materiales luminiscentes conocidos, muchos de ellos aún no estudiados para aplicaciones prácticas. Pisello dice que existe la posibilidad de pinturas y pavimentos brillantes que duren más y brillen más en más colores.

“A corto plazo, la mejor y más sencilla solución es mejorar lo que ya tenemos”, dice. Eso incluye ajustar los materiales para que emitan luz por más tiempo, con más intensidad o en diferentes colores, y asegurarse de que continúen funcionando en entornos del mundo real.

A largo plazo, agrega, las nuevas clases de materiales de ingeniería podrían funcionar aún mejor. Por ejemplo, se podría recurrir a los «puntos cuánticos»: diminutas partículas semiconductoras que se pueden hacer brillar y que ya están utilizado en imágenes biológicas – o perovskitas, materiales utilizados en células solares que también se están estudiando por sus propiedades luminiscentes.

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