Como os decía en los dos artículos anteriores de esta serie, la obtención de fuego a voluntad, por parte del hombre, es probablemente el suceso tecnológico más relevante en toda su historia. Ya desde los primeros instantes, las hogueras a la entrada de sus moradas le proporcionaban seguridad, calor, cocción de los alimentos —para destinar mucho menos tiempo a comer y a la digestión, una cuestión para nada menor—, capacidad de manipular materiales, así como un sistema de iluminación artificial. Éste último le permitió modificar, de forma drástica, los hábitos y actividades que el hombre realizaba una vez el Sol se escondía detrás del horizonte.

Usos tecnológicos del fuego

El fuego, la forma más conocida de incandescencia —en el que también tiene lugar luminiscencia, puesto que los dos mecanismos de emisión de luz no son incompatibles— dominó los sistemas de iluminación hasta finales del siglo XIX. Los utensilios que permitían usar el fuego como luz, las antorchas, llevaron a separar la función de iluminación de la del calentamiento asociado. Es por tanto un uso más especializado, pero poco eficiente, puesto que el calor desprendido se pierde sin ser usado. Además, la proliferación de lámparas de aceite en esa época puso en peligro la población mundial de ballenas, puesto que su tejido graso era la fuente principal de combustible en las antorchas usadas en las viviendas, e incluso en las calles de muchas ciudades, antes de la explotación del petróleo.

La energía que desprende el fuego ha sido y es una potente arma de desarrollo tecnológico. El fuego permite activar la transformación de minerales en metales, así como su fusión para moldearlos a voluntad y construir utensilios sofisticados al límite. Confinar el fuego en habitáculos cerrados —el horno— permite secar, es decir, eliminar el agua por evaporación, y conseguir temperaturas mucho más elevadas en los altos hornos, pudiendo así fabricar ingentes cantidades de nuevos materiales, tanto metálicos, como cerámicos... y tantas otras clases. El uso inteligente del fuego, para producir vapor a presión, llevó a la revolución industrial, la electrificación a escala mundial y al desarrollo de sistemas de calefacción de ámbito urbano.

El fuego es el factor primario en muchas tecnologías de soldadura y corte. Obtener una llama muy caliente, dirigida y concentrada en un punto de pequeñas dimensiones, permite crear uniones entre piezas metálicas tan resistentes como el propio metal, o bien cortar con precisión materiales de punto de fusión muy elevado. En este sentido, existen diferentes combinaciones de substancias para crear llamas de temperatura creciente. Os indico aquí las temperaturas de las llamas tecnológicas más conocidas:

  • oxígeno – dicianoacetileno: 4990 °C
  • oxígeno – acetileno: 3480 °C
  • oxígeno – hidrógeno: 2800 °C
  • aire – acetileno: 2534 °C
  • soplete (aire – propino/propanodieno, gas MAPP): 2200 °C
  • aire – gas natural: 1300 a 1600 °C

Comparad estos valores con los de la llama de una vela (de cera de parafina, un derivado del petróleo): unos 1000 °C; o los de la porción incandescente de un cigarrillo encendido: 585ºC en el centro, y 400°C en los laterales, cuando el cigarrillo no es aspirado, y 700ºC en el centro, 550ºC en los laterales, cuando se aspira aire a su través y se aviva la combustión. El récord de la llama oxígeno–dicianoacetileno tiene un truco: el resultado de la combustión no contiene agua... y sí, en el resto de las llamas, un porcentaje nada desdeñable de la masa producida es agua, entre un 15 y un 30%... hasta casi el 100% en el caso de la llama oxígeno–hidrógeno. El agua, con su elevada capacidad calorífica, impide que la temperatura de la llama se eleve más de lo que ya lo hace.

Llama emitida por un soplete, apta para calentar metales y ciertas soldaduras.

Ferrocerio

Antes de describir con más detalle los sistemas de iluminación actuales, permitidme una pregunta al menos curiosa. Tal como os acabo de mencionar, todo desarrollo tecnológico, que incluya la fabricación de utensilios sofisticados, empieza con la producción de algún tipo de fuego. Una vez lo tenemos, empezamos a transformar y por ello a fabricar. Pero, ¿cómo se hace el primer fuego? Este problema no es menor, puesto que la producción de fuego a voluntad requiere superar las temperaturas de ignición de los combustibles, y no es fácil obtener "manualmente" los centenares de grados requeridos.

La forma más sencilla y rápida viene dada por el pedernal, un mineral derivado del óxido de silicio, o quizás por la piedra de mechero: su facilidad para producir partículas incandescentes, mediante fricción, permite iniciar un fuego con poco esfuerzo. Se trata de una tecnología muy antigua, como seguramente ya sabéis, y aún así su perfeccionamiento es relativamente reciente. En 1903, los trabajos del Baron Carl Auer von Weisbach se basaban en experimentos con distintas aleaciones metálicas. Pronto se dio cuenta que la mezcla de un 70% de Cerio y 30% de Hierro desprendía chispas con mucha facilidad, al frotar el material con un mineral o metal más duro. De hecho, lo que ocurre es que esa fricción desprende pequeñas virutas que, en contacto con el aire, entran en combustión y se calientan hasta los 3000ºC. Dada la composición de la aleación, no es de extrañar que reciba el nombre genérico de "Ferrocerio".

Trabajos posteriores del mismo von Weisbach perfeccionaron la composición de este "pedernal artficial". Añadiendo hasta un 25% de lantano, las chispas son mucho más brillantes, mientras que la adición de Neodimio, Praseodimio e incluso hasta un 2% de magnesio, confirieron más dureza y durabilidad a la mezcla. Por todo ello, su presencia tecnológica actual es notoria: incluso los mecheros por antonomasia, los "Zippo", han substituido el pedernal por Ferrocerio.

Del fuego a la electricidad

El gran cambio en los sistemas de iluminación proviene del desarrollo y uso de la electricidad. Es una gran transformación. Principalmente, el suministro de energía se hace mucho más rápido: la electricidad fluye a velocidades enormes, mientras que el combustible quemado se distribuye muchísimo más lentamente. Por otro lado, se substituye una reacción química que produce luz, una combustión que consume el material que crea la iluminación, por una estimulación de un material que produce luz, pero no consume éste. La energía se transforma y, por tanto, se consume, pero en cambio la substancia que emite luz no se modifica ni degrada, al menos rápidamente.

Existen hoy dos grandes tecnologías que, curiosamente, se desarrollaros de forma casi simultánea, a partir de fenómenos empíricos observados a principios del siglo XIX. Básicamente, los sistemas eléctricos de iluminación se basan en crear un circuito eléctrico, en el que alguno de los dispositivos que contiene emite luz cuando circula electricidad por su interior:

  • En las lámparas de incandescencia, en los LED (Diodos Emisores de Luz, en inglés "Light Emitting Diodes") y en los Puntos Cuánticos, el elemento emisor és un sólido, ya sea metálico o semiconductor.
  • En las lámparas de arco, las lámparas de halógeno, mercurio o sodio y los fluorescentes, el elemento emisor es un gas, que contiene gases nobles y ciertos metales.

Históricamente, el primer gran cambio en los sistemas de iluminación se produjo con las lámparas de arco de carbón, basadas por primera vez en el uso de la electricidad. Siguiendo un fenómeno observado a principios del siglo XIX por Humphry Davy, la aplicación de corriente eléctrica entre dos cilindros de carbón, ligeramente separados entre sí, llevaba a producir una brillante luz en el espacio entre los dos cilindros.

El uso de las lámparas de arco requiere aplicar un alto voltaje, permitir que los cilindros de carbón se calienten enormemente, hasta evaporar el carbón. Entonces, el potente campo eléctrico consigue arrancar los electrones más débilmente ligados a los átomos de carbono, y se produce emisión de luz, caracterizada por una brillantez muy destacable. Esta luz es visible, pero las elevadas temperaturas emiten también luz ultravioleta, dañina para la vista.

La emisión de luz mediante lámparas de arco se produce por incandescencia, puesto que el material se calienta hasta miles de grados, pero también contribuye la aplicación de una corriente eléctrica. Este hecho provoca que, junto con la incandescencia, se produzca emisión luminiscente, aunque en menor medida. Se trata, en este caso, de electroluminiscencia. Veremos como, a medida que se avanza tecnológicamente, la emisión incandescente disminuye su contribución a la emisión de luz, mientras que sofisticadas formas de luminiscencia se convierten, progresivamente, en el principal mecanismo de emisión.

Este no es un tema menor, puesto que la iluminación representa el 19% del consumo de electricidad en el mundo, y el 14% en la Unión Europea. Las cifras globales de consumo son entonces muy importantes, por lo que la eficiencia en el consumo también lo es. La baja eficiencia de las técnicas basadas en incandescencia ha llevado a su prohibición progresiva: desde 2012 en la Unión Europea, desde 2015 en Canadá y Brasil, y desde 2016 en China. Es por ello que, por ejemplo, en el Reino Unido el 55% de las bombillas de uso doméstico son o bien lámparas fluorescentes compactas o LEDs, y el 40% son halógenas. De hecho, las lámparas LED ofrecen una reducción del 75 al 80% en el consumo energético, si las comparamos con las lámparas incandescentes.

Imagen de la iluminación nocturna del planeta, clara muestra de contaminación lumínica, de gasto de electricidad innecesario para iluminar, y de baja eficiencia, puesto que la gran mayoría de sistemas de iluminación aún se basan en la bombilla incandescente. Aunque, todo hay que decirlo, la situación está cambiando bastante más rápido de lo que pudiera parecer.

Los sólidos emiten luz: las tradicionales bombillas

Las bombillas incandescentes emiten luz por calentamiento mediante el paso de corriente eléctrica, ya sea continua o alterna. Se trata de un mecanismo universal de producción de luz, puesto que todos los cuerpos emiten radiación electromagnética, por el hecho de encontrarse a una cierta temperatura. La emisión de radiación tiene lugar en un intervalo de longitudes de onda, o de energías, que se desplaza hacia longitudes de onda menores, o energías mayores, a medida que aumenta la temperatura. Los cuerpos fríos emiten en la región de ondas de radio o microondas, los cuerpos a temperatura ambiente emiten en el infrarrojo, mientras que los cuerpos muy calientes emiten en las regiones visible, ultravioleta e incluso en la región de los rayos X.

Sin ir más lejos, el cuerpo humano es como una bombilla de 100 watt, que emite en el infrarrojo. Por otro lado, los metales, calentados suficientemente, se tornan primero rojizos, y después naranja y amarillo, a medida que la temperatura a la que se encuentran es más elevada. La superficie del Sol se encuentra a unos 5800ºC, de ahí que emita luz preferentemente visible, aunque una pequeña proporción es ultravioleta y otra infrarroja. Las manchas solares son regiones más frías, pues allí la temperatura cae por debajo de los 4000ºC, y de ahí que se vean oscuras: su intervalo de emisión de radiación cae a la región infrarroja.

El problema de este método para iluminar es que es muy poco eficiente. Sólo se convierte en luz que podamos ver entre el 7 y el 14% de la energía transportada por la corriente eléctrica, aunque cuanto mayor es la temperatura, mayor el rendimiento. Sin embargo, los rendimientos reales del dispositivo completo no llegan al 5% y, típicamente, son del 2.2%. La luz realmente emitida, por otro lado, son unos 16 lúmenes, por watt de electricidad consumida. Todo ello para dispositivos que pueden llegar a las 1000 horas de duración.

¿Por qué ese rendimiento, tan bajo y lejano al límite teórico? Para razonarlo, debemos imaginar la circulación de electricidad, cuando el filamento se somete a la tensión de la red, a partir de dos componentes. La primera es la energía propiamente dicha, que circula a velocidades muy cercanas a la velocidad de la luz en el vacío, 300000 kilómetros por segundo, puesto que es transportada por fotones. La segunda componente son los electrones, las partículas elementales de carga eléctrica negativa, que en los metales pueden moverse con una cierta libertad. Sin embargo, al recibir la tensión eléctrica, no viajan a velocidades muy elevadas, menos de un milímetro por segundo hacia el polo positivo, y tampoco sobre distancias muy grandes, entre decenas y centenares de nanómetros.

Es éste un hecho interesante, puesto que el desplazamiento de los electrones es un movimiento de deriva, efecto residual de la transmisión de energía eléctrica. Tanto es así, que la velocidad del movimiento natural de los electrones, aleatorio en todas direcciones, debido la temperatura a la que se encuentra el metal, es de ¡cien kilómetros por segundo!.

Estos electrones se desplazan, entonces, lentamente y a distancias cortas, si lo miramos en términos absolutos. ¿Por qué?. La respuesta es que continuamente chocan contra otros electrones y contra los átomos cargados positivamente de la red sólida. Se podría ver este movimiento como una carrera de relevos, por la que el movimiento de un electrón es transferido a otro, y así indefinidamente a través del cable conductor. Los choques, además, provocan el calentamiento del metal y la emisión de luz, todo a la vez. El calentamiento es, a nivel atómico, que los átomos vibran más intensamente en el sólido, mientras que la emisión de luz aparece como la incandescencia del filamento.

Dicho de otro modo, las bombillas emiten luz por la continua pérdida de energía en el movimiento de los electrones. Es por ello que, gradualmente, las formas poco eficientes de iluminación se están abandonando. Por ejemplo, desde el 1 de Septiembre de 2016 está prohibida la venta de focos halógenos. Esta medida se une a la que se adoptó en septiembre de 2012, que prohibió la venta de bombillas incandescentes. Por otra parte, en 2018 se prohibieron también el resto de faros halógenos. Con estas medidas, sólo se pueden adquirir, actualmente, lámparas fluorescentes y LEDs.

Los fluorescentes

Los dispositivos fluorescentes, de los que actualmente existen diversas variantes técnicas —compactos, de cátodo frío, de inducción, ...— emiten luz gracias a un complejo mecanismo de tres etapas, que implican, consecutivamente, a) ionizar un gas noble, b) estimular vapor de mercurio, y c) provocar finalmente la emisión fluorescente, del recubrimiento interior de las paredes del tubo fluorescente.

Partimos entonces de un tubo, rellenado con una mezcla de un gas noble, y de pequeñas cantidades de vapor de mercurio. La corriente eléctrica calienta el metal del cátodo, que a su vez emite electrones, que chocan con el gas noble y le arrancan más electrones. Esto es lo que significa ionizar el gas. Las cargas eléctricas adicionales creadas por estos choques comunican, por choques ulteriores, energía a los átomos de vapor de mercurio, que emiten luz en la región ultravioleta (UV), y por tanto invisible, concretamente de longitudes de onda de 180 y 250 nanómetros. Esta luz, invisible pero muy energética, choca contra el recubrimiento de la lámpara, cuyo material presenta la propiedad de absorber esta luz UV, y volverla a emitir como luz de menor energía, ahora sí visible (VIS). Esta propiedad se denomina fluorescencia, una forma específica de luminiscencia, y es la que da nombre al dispositivo.

Un factor importante, que determina el diseño global del circuito eléctrico en el fluorescente, es que a medida que el gas noble se ioniza, la resistencia global del circuito disminuye. Por ello, debe añadirse un sistema de lastre, también denominado balastro, que ejerce de resistencia que aumenta con la ionización del gas. Se evita así que la intensidad de la corriente circulante crezca indefinidamente. Los primeros diseños de fluorescentes incorporaban un balastro analógico, poco eficiente. Hoy en día son electrónicos y de mucho mayor rendimiento.

La eficiencia actual de los fluorescentes, con balastro electrónico, se sitúa alrededor del 40 %, ¡que debe compararse al 2.2% de eficiencia de las bombillas incandescentes! La pérdida más importante tiene lugar en la conversión UV–VIS que se da en la tercera etapa. Hablamos entonces de unos 60 lúmenes emitidos, por watt consumido de la red, y de unas 10000 horas de duración, es decir, unas diez veces más que las bombillas de incandescencia.

Acabo de afirmar que los fluorescentes utilizan vapor de mercurio, puesto que es el material que proporciona las mejores condiciones de durabilidad y rendimiento, y de momento es insustituible. Por tanto, estas lámparas son potencialmente peligrosas. De hecho, la Unión Europea prohibió, en 2014, la comercialización de dispositivos que contienen mercurio, aunque contempla los fluorescentes compactos modernos como una excepción. La razón es que la cantidad de mercurio se ha ido rebajando paulatinamente. Durante los 90, las lámparas fluorescentes contenían unos 30 miligramos de mercurio. A principios de los 2000, la cantidad se había reducido a unos 15 miligramos. En 2014, estas lámparas contenían unos 2.5 miligramos, mientras que en la actualidad se llega a 1.2 miligramos.

Aún así, la rotura accidental de fluorescentes genera una situación potencialmente peligrosa. El peor caso sucedería cuando la lámpara es nueva, puesto que es entonces cuando contiene la mayor cantidad de vapor de mercurio, la forma más tóxica. A medida que envejece, el mercurio se adhiere al recubrimiento de fósforo y su cantidad como vapor disminuye. Incluso si la lámpara es nueva, la cantidad de vapor de mercurio es tan pequeña, que en ningún caso se sobrepasan los límites más conservadores, en caso de rotura y liberación al aire. Aún así, es conveniente tomar la precaución de ventilar la habitación donde tenga lugar la rotura, y recoger los fragmentos utilizando guantes. Es importante recordar también que los fluorescentes deben reciclarse por separado.

Fluorescencia para detectar fracturas en los materiales

Una propuesta reciente, de 2016, propone el uso de la fluorescencia para monitorizar el desgaste de materiales y detectar así fracturas potencialmente peligrosas. Una investigación muy oportuna realizada por el equipo de N.R. Sottos y J.S. Moore, de la Universidad de Illinois en Urbana–Champaign, USA, puesto que el esfuerzo, tanto monetario como temporal, que representa la vigilancia del estado de los materiales estructurales es enorme. Por no hablar del excesivo coste de construcción, puesto que para incrementar aún más la seguridad, se sobredimensionan los parámetros de resistencia.

El método se basa en añadir al material una cierta cantidad de cápsulas de poliuretano, de unos 110 micrómetros, rellenadas con TPE, tetrafeniletileno, y disolvente. Cuando las cápsulas se rompen por la tensión de la fractura, el disolvente se evapora y las moléculas de TPE se agregan entre ellas, formando un cristal que queda adherido a las paredes de la fractura. Este cristal emite luz azul, por fluorescencia, cuando es sometido a luz ultravioleta. De este modo, las diminutas fracturas que se forman al inicio del desgaste del material, se pueden detectar de forma muy sencilla y visible. Por ejemplo, las pruebas de laboratorio han permitido revelar grietas de 2 micrómetros, hasta cuarenta días después de producirse.

La propuesta ha sido muy bien considerada por la comunidad de investigadores. En este sentido, el químico experto en polímeros Christoph Weder, que trabaja en la Universidad de Friburgo, en Alemania, ha declarado que "cuando he sabido de la propuesta, me dije a mí mismo: "¡jo..r, por qué no se me ha ocurrido a mí!

Fluorescencia ultravioleta como germicida

Cuando se expone el aire a radiación ultravioleta C, UV–C, es decir, la radiación UV más energética, se destruyen los agentes patógenos, puesto que literalmente los descompone, incluyendo su ADN, en fragmentos diminutos sin actividad biológica.

Es una forma entonces de purificar el aire, concretamente mediante radiación cuya longitud de onda se encuentra entre 240 y 280 nanómetros. En este sentido, se comercializan lámparas UV de vapor de mercurio a baja presión, dispositivo que emite el 86% de su radiación a 254 nm. Sin embargo, los microorganismos que quedan escondidos en pequeñas grietas o lugares que puedan quedar fuera de la zona irradiada, pueden sobrevivir a este tratamiento, por lo que el uso de lámparas UV–C deben utilitzarse con otras técnicas que, en menores cantidades, puedan llegar a estos escondites para bacterias.

Por otro lado, estas lámparas pueden eliminar también restos de hidrocarburos, e incluso monóxido de carbono del aire, por lo que son una alternativa al uso de ozono, y se evita el uso de este irritante gas.

Sin embargo, la presencia de mercurio en la lámpara crea problemas de seguridad. Por ello, una de las directivas de la Unión Europea tiene previsto substituir este tipo de dispositivos, por otras formas de radiación UV–C. En la cuarta parte, que encontraréis a continuación en el blog, os hablo con más detalle de esta alternativa.

Finalicemos este luminoso apartado con una visión más recreativa de la fluorescencia de substancias cotidianas:

Brian Wagner, un profesor de Química de la University of Prince Edward Island, Canadá, trabaja con moléculas que actúan como detectores de luz fluorescente. Es por ello que ha podido preparar una selección de substancias de uso cotidiano, que irradiadas mediante luz UV de 350 nanómetros, emiten una interesante luz visible por fluorescencia. La fotografía muestra unas cuantas de estas substancias. De izquierda a derecha: a) Aceite de oliva, que contiene diversas substancias fluorescentes, b) Vitamina B-2, Rivoflavina, disuelta en agua, c) Curcumina disuelta en agua, d) una pastilla del jabón "Irish Spring Original", que contiene la molècula piranina, fluorescente, e) Aceite de Colza, con varias substancias fluorescentes, f) agua tónica, que emite luz gracias a la Quinina, y g) detergente, que contiene colorantes abrillantadores cuyo efecto se debe, precisamente, a la fluorescencia.

Xavier Giménez Font
Xavier Giménez Font

Profesor titular del Departamento de Ciencia de Materiales y Química Física, y miembro del Instituto de Quimica Teórica y Computacional, de la Universidad de Barcelona. Docente en química ambiental y química física de materiales, e investigador en simulación computacional de reacciones químicas con aplicación a I+D, y en innovación docente. Divulgador científico, autor del libro El aire que respiramos (UB Edicions, 2018). 

Sobre este blog

En este blog exploro la química de nuestro entorno desde una perspectiva global, que incluye su relación con las demás ramas de la ciencia, la tecnología, e incluso las disciplinas humanísticas. También realizo pequeñas incursiones en el mundo de la educación universitaria. Siempre al alcance de todos. Verás que la química es compleja, su mundo también, pero no tanto como pudiera parecer.

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