En nuestra vida cotidiana, el calor generado por la luz es un fenómeno común: sentimos cómo la piel se calienta bajo el sol, u observamos cómo una lupa concentra la radiación solar para encender una hoja seca. Este proceso de conversión de luz a calor se conoce como efecto fototérmico, y tiene diversas aplicaciones en los ámbitos científico y tecnológico, que van desde la purificación de agua, la construcción de sensores, el desarrollo de elementos antifalsificación, la promoción de una reacción química, y hasta el desarrollo de estrategias terapéuticas contra el cáncer, entre otras. De hecho, las aplicaciones no son limitadas a un campo en específico, y están sujetas al conocimiento básico de los procesos fototérmicos involucrados, así como a la generación de nuevos materiales con conversión fototérmica más eficiente.
Cuando un haz de luz incide sobre un material, este puede ser absorbido debido a que las partículas que conforman a la luz, conocidas como fotones, promueven los electrones del material a un estado excitado o de mayor energía. Cuando esto ocurre, la energía puede ser liberada en forma de vibraciones atómicas conocidas como fonones. Estas vibraciones a nivel atómico incrementan la energía cinética local, induciendo el aumento de la temperatura. Ciertamente, la velocidad de aumento de la temperatura, así como el valor máximo alcanzado, dependen primordialmente de las propiedades del material, destacando su capacidad de absorber la luz eficientemente, así como su baja conductividad térmica, la cual limita la disipación de calor.
Actualmente es posible desarrollar materiales fototérmicos de diversos tamaños. Un ejemplo en la nanoescala son las nanopartículas de metales acuñables como el oro, plata o cobre, las cuales absorben luz de manera muy eficiente en diversas regiones del espectro electromagnético gracias un fenómeno conocido como plasmón de resonancia superficial. Otro de los ejemplos más explorados son los óxidos metálicos y otros semiconductores, o los alótropos de carbono, como el grafeno o los nanotubos, los cuales incrementan rápidamente su temperatura debido a su elevada eficiencia de absorción, así como al rango extendido del espectro electromagnético en que pueden ser activados.
En años recientes se han planteado otras estrategias innovadoras para mejorar la eficiencia fototérmica de los materiales, como la inclusión de elementos particulares que permiten mejorar la captación de luz. Por ejemplo, en el Laboratorio de Nanomateriales Biofuncionales (BioNamat Lab) del Centro de Física Aplicada y Tecnología Avanzada de la UNAM, una de las líneas de investigación se centra en el desarrollo y aplicaciones de óxidos metálicos o semiconductores modificados con iones de lantánidos como el Nd3+ o el Yb3+, los cuales son capaces de convertir la luz en calor de manera más eficiente que los materiales que no los contienen (Figura 1). Estratégicamente, la luz utilizada para la excitación corresponde al rango del infrarrojo cercano (800 a 975 nm), lo que ofrece ventajas significativas respecto a la luz visible o ultravioleta1. Esta región espectral minimiza la radiación de fondo y reduce la dispersión de la luz, lo que mejora la eficiencia del proceso. La absorción eficiente de la luz en dicha región es lograda gracias a la configuración electrónica particular de los lantánidos, mismos que pueden ser incorporados de manera directa en la estructura de los materiales, o gracias a moléculas orgánicas específicas que permiten retener estos iones en su superficie.
Debido a su mayor eficiencia, los materiales fototérmicos han comenzado a implementarse en aplicaciones de gran impacto. Por ejemplo, en el ámbito biomédico, el tratamiento de tumores con luz en lugar de cirugía es una de las aplicaciones más estudiadas, pues cada año millones de personas son diagnosticadas con cáncer. La creciente incidencia de este padecimiento ha motivado la búsqueda de terapias más eficaces con menores efectos secundarios que la quimioterapia, y menos invasivas que la cirugía. La terapia fototérmica contra el cáncer utiliza nanomateriales capaces de realizar un calentamiento desde los 37 °C (temperatura fisiológica) hasta un rango efectivo entre los 42-45 °C, para inducir la muerte selectiva de células cancerosas en regiones específicas del organismo, como en la Figura 2. Además, los materiales pueden ser diseñados de tal manera que la luz incidente active el proceso fototérmico y, de manera simultánea, la fotoluminiscencia, permitiendo localizarlos dentro del organismo, así como implementarlos como termómetros sin contacto que permitan conocer la temperatura local a partir de un espectro de emisión2. También en el ámbito clínico, diversos materiales fototérmicos han comenzado a aplicarse como auxiliares en tratamientos antibacterianos.
Los materiales fototérmicos también han sido propuestos en desarrollos tecnológicos destinados a contrarrestar el desabasto del líquido vital, como la desalinización del agua marina mediante su evaporación, o el tratamiento de aguas residuales mediante la inactivación de microorganismos patógenos. Otra aplicación interesante involucra el desarrollo de estrategias anti-falsificación, por ejemplo, al incorporar materiales con respuesta térmica controlada en tintas de seguridad, que al aumentar la temperatura revelen un elemento o imagen visible, o incluso códigos cifrados ocultos3. Además, al usar estructuras que disipen el calor de forma diferencial, podría utilizarse un lector de infrarrojo, detectando una firma térmica única del producto, validando su autenticidad. Por otra parte, se plantea la adaptación de estos materiales para futuras aplicaciones en el área industrial, como la generación de movimiento aprovechando la energía fototérmica, el impulso de reacciones termoquímicas, así como en sistemas de almacenamiento de energía. Por lo tanto, es importante seguir desarrollando materiales con respuesta fototérmica más eficiente, económicamente rentables, así como con métodos de síntesis robustos y capaces de producir el material en gran escala, permitiendo hacer más accesibles sus aplicaciones y beneficios para todos. ¿Tienes en mente alguna aplicación específica para estos materiales?
*Autores: Jorge Alberto Molina González, Marlene Vargas Zamarripa, Laura Sarahí González Jasso, Gonzalo Ramírez García. Investigan en el Laboratorio de Nanomateriales Biofuncionales, del Centro de Física Aplicada y Tecnología Avanzada de la UNAM Juriquilla.
gonzalo.ramirez@fata.unam.mx
Referencias
- Fernando Espínola Portilla, Fanny D’Orlyé, Jorge A. Molina González, Laura Trapiella Alfonso, Silvia Gutiérrez Granados, Anne Varenne, Gonzalo Ramírez-García. Upconverting/magnetic Janus-like nanoparticles integrated into spiropyran micelle-like nanocarriers for NIR light- and pH- responsive drug delivery, photothermal therapy and biomedical imaging. Colloids and Surfaces B: Biointerfaces, 2025. 249, 114501, 1-11. ↩︎
- Ramírez-García Gonzalo, Honorato-Colin M.A., De la Rosa E., López-Luke T., Panikar S. S., Ibarra-Sánchez J.J, Piazza V., Theranostic nanocomplex of gold-decorated upconversion nanoparticles for optical imaging and temperature-controlled photothermal therapy. Journal of Photochemistry & Photobiology A: Chemistry, 2019. 384, 112052 (1-9). ↩︎
- Molina-González J., Ramírez-García Gonzalo, Desirena H., Meza O. Anti-counterfeiting strategy based on multiwavelength photothermal particles to disclose thermal imaging. Ceramics International, 2022. 48, 9075–9082. ↩︎
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