La química de… las pulseras que emiten luz

Hace unos meses mi hija entró a casa:

– Papa,! ahora verás que chulada!

En un momento sacó un tubito de plástico, lo manipuló brevemente y lo agitó. Y el tubito, de repente, estaba emitiendo luz roja. Yo ya sabía del fenómeno de la quimioluminiscencia, la producción de luz mediante reacciones químicas, pero nunca había visto el proceso. Con una pieza adicional se hizo una pulsera y apagó la iluminación del comedor. El efecto era mágico.

– Mola, ¿eh?

Sacó algunos tubitos más, me explicó como manipularlos y, en un momento, teníamos pulseras de diferentes colores.

En la naturaleza existe un ejemplo de bioluminiscencia, quimioluminiscencia producida por seres vivos, que nos ha fascinado desde la antigüedad: el brillo de las luciérnagas en la oscuridad. En ellas se produce, básicamente, lo mismo que en las pulseras: una reacción química provoca la excitación de una molécula que se desexcita emitiendo luz. Pero, en las luciérnagas, el sistema es el increíblemente eficiente: el rendimiento es del 80%, es decir, 80 de cada 100 moléculas excitadas emiten luz.

La quimioluminiscencia está relacionada con la fluorescencia y la fosforescencia. En los tres procesos se produce la desexcitación de un compuesto por emisión de luz. La diferencia entre ellos está en la forma en la que se produce la excitación de estos compuestos. En el caso de la quimioluminiscencia, esa excitación se produce mediante una reacción química mientras que, en la fluorescencia y la fosforescencia, la excitación se produce con luz. Cuando dejamos de iluminar, las substancias fluorescentes dejan de emitir luz, mientras que las fosforescentes siguen emitiendo con una intensidad que disminuye con el tiempo, de forma que solo son visibles unos minutos o unas horas.

A principios de la década de 1960 Edwin A. Chandross, un joven químico que trabajaba en los laboratorios Bell en los fenómenos de luminiscencia, encontró una reacción  que era capaz de producir quimioluminiscencia con una molécula emisora de luz apropiada. La eficiencia del proceso era muy baja, del 0,1%. Tal vez por esta razón, este descubrimiento no fue patentado.

Otro químico, Michael M. Ranhut, responsable de investigación de la compañía American Cyanamid, conoció los resultados obtenidos por Chandross. Siendo consciente de las posibles aplicaciones de un sistema quimioluminiscente eficiente, decidió abrir una línea de investigación en este tema. Trabajaron con la reacción de Chandross, buscaron alternativas, y diseñaron un conjunto de compuestos, unos ésteres del ácido oxálico que, cuando se mezclaban con peróxido de hidrógeno (agua oxigenada), con una pequeña cantidad de salicilato y con pigmentos adecuados, producían luz con una eficiencia del 5%. Un sistema mucho menos eficiente que el de las luciérnagas, pero que produce luz suficiente como para poder usarse en aplicaciones. Denominaron al sistema Cyalume, y dieron también ese nombre a la marca comercial de los productos quimioluminiscentes de la empresa. Buscaron moléculas colorantes que emitieran con colores distintos. Con ellas, o con mezclas de ellas, se consigue una amplia gama de colores: verde, rojo, amarillo, naranja, azul y blanco.

Un tubo quimioluminiscente consta de un contenedor de plástico flexible con una cavidad central. En esta cavidad hay un vial de vidrio que contiene el éster. En la cavidad, alrededor del vial, está el peróxido de hidrógeno y el salicilato. Todos estos compuestos están disueltos en un disolvente orgánico apropiado. Cuando se dobla la cubierta exterior de plástico, el vial de vidrio se rompe, los reactivos se mezclan y comienza la reacción química: las moléculas de colorante pasan al estado excitado y una parte de ellas se desexcita mediante emisión de luz. La diferencia de energía entre el estado excitado y el estado fundamental es característica de cada colorante, y por eso cada uno de ellos emite luz con un color distinto.

En 1993 American Cyanamid vendió su división de luz química a la empresa Omniglow. Esta empresa sigue investigando con el fin de buscar sistemas de mayor eficiencia, o que puedan trabajar en condiciones de temperaturas no habituales: en particular, están tratando de desarrollar un sistema que funcione a temperaturas menores de 0 grados.

Es posible encontrar en algunas tiendas unos tubos quimioluminiscentes de 20 centímetros de largo y unos 2 centímetros de ancho. Dado el mayor volumen de reactivos que contienen, producen mucha más luz que la pulsera que me enseñó mi hija. De hecho, en Alemania los tienen en las casas para emplearlos si se va la electricidad: siempre funcionan, a diferencia de lo que pasa con las linternas, a las que en muchas ocasiones se les agotan las pilas con el tiempo. Hemos comprado estos tubos en nuestro centro de trabajo para hacer demostraciones celebrando que el año 2015 es el Año Internacional de la Luz. La primera la hicimos hace unos días con unos estudiantes del Máster de Artes Visuales y Multimedia de la Universidad Politécnica de Valencia y en ella comprobamos la fascinación que provocan los fenómenos relacionados con la luz…