La luz, como sabemos, sostiene la red de vida en la Tierra. La luz solar (absorbida por la clorofila) es esencial para la fotosíntesis que se produce en las plantas, para producir los alimentos que comemos y liberar el oxígeno que respiramos. Además, muchos organismos hacen uso de esta interacción en mecanismos sensoriales básicos para guiar su comportamiento, ya sea a través de un proceso complejo como la visión o la fotosensibilidad relativamente más simple del microorganismo. Desde una perspectiva de ingeniería, es esta interacción entre la luz y la materia la que forma la base de una amplia gama de tecnologías, incluidos láseres, LED y relojes atómicos.
Fig.1: Arco iris: la luz de diferentes colores tiene diferentes índices de refracción
Es bien sabido que la materia está formada por átomos. Estos átomos están compuestos por un núcleo rodeado por capas de energía electrónica. La luz interactúa con estas capas de electrones. La luz como energía puede ser absorbida por una capa de electrones y luego pueden tener lugar varias acciones. Cuando la luz interactúa con la materia, puede hacer varias cosas dependiendo de su longitud de onda y del tipo de materia que encuentre: puede transmitirse, reflejarse, refractarse, difractarse, adsorberse o dispersarse.
La luz interactúa como una partícula o como una onda que se comporta como una partícula que sufre absorción, dispersión o producción de pares dependiendo del número atómico y la frecuencia de la luz. Cuando la longitud de onda de la luz es comparable a la distancia interatómica, se comporta como una onda y se difracta. Para luz de muy alta intensidad, la interacción se vuelve no lineal y está dominada por procesos de mezcla de frecuencias.
Aplicaciones multidisciplinarias
De hecho, el estudio de la luz es una ciencia multidisciplinar que involucra muchas ramas como la medicina, la arquitectura y el entretenimiento. La luz tiene profundas implicaciones para el campo de la medicina, tanto como causa de enfermedades como el daño causado por los rayos UV al ADN, como como agente terapéutico como la terapia fotodinámica. Estos procesos son la base de la ciencia de la fotobiología, que podría definirse como el estudio de los efectos de la luz visible y ultravioleta procedente de la luz solar natural y de fuentes artificiales sobre la materia viva.
Además de ser ejemplos sorprendentes de arquitectura, algunos edificios demuestran el poderoso efecto a través de elementos como el espacio, la luz, la geometría y los materiales que pueden alterar nuestro estado de ánimo. Con abundantes vistas y luz natural, las personas pueden observar la actividad y el mundo natural del exterior y los que están fuera pueden hacerse una idea de lo que sucede en el interior. Están separados pero conectados y ayudan a conectar a sus comunidades.
Los láseres también han demostrado su utilidad en el ámbito del arte y el entretenimiento, desde “espectáculos de luces” hasta discos compactos (CD) y discos de vídeo digitales (DVD), hasta efectos especiales en películas.
Aplicaciones en Medicina
Muchas formas de luz (radiación electromagnética) encuentran alguna aplicación en medicina. Los avances en la tecnología ligera han revolucionado la industria médica. El proceso de obtención de imágenes médicas implica la creación de representaciones visuales del interior de un cuerpo para su posterior análisis médico.
Las imágenes médicas, los procedimientos quirúrgicos y los diagnósticos dependen del uso de la luz. Estas imágenes son utilizadas generalmente en áreas médicas como neurociencia, cardiología, psiquiatría y psicología, entre otras. La luz visible es la más común e importante, ya que se utiliza para ver y evaluar a los pacientes a través de los ojos del médico. Hoy en día, la luz visible se utiliza para la fotografía médica.
Fig. 2: Rayos X: optimización de la energía radiante electromagnética
El papel de la luz en los procedimientos médicos ha crecido enormemente. Los láseres de diferentes colores se utilizan en todo tipo de procedimientos quirúrgicos y de diagnóstico. Los láseres vienen en una variedad de longitudes de onda y pueden usarse para romper cálculos renales, cauterizar hemorragias o vaporizar tumores. El láser de argón se ha utilizado para detener el sangrado del hígado. La luz infrarroja se utiliza para obtener imágenes y también para calentar a los bebés prematuros. Las ondas de radio se utilizan en la resonancia magnética. Se puede utilizar luz ultravioleta para la esterilización. Los rayos X se utilizan para ver huesos y eliminar tumores. La luz ultravioleta se utiliza en la psoriasis, mientras que los láseres ultravioleta se utilizan en procedimientos refractivos corneales.
La energía electromagnética de mayor energía (rayos X) se utiliza en máquinas de tomografía computarizada y para imágenes de rayos X de película simple. Los rayos X pueden tratar ciertas formas de cáncer. Los rayos gamma, como formas de radiación electromagnética de mayor energía, pueden usarse para tratar el cáncer. Los rayos gamma también se detectan en exploraciones PET y se utilizan en la cirugía con bisturí gamma para tumores cerebrales.
Aplicaciones en Arquitectura
La iluminación se considera un campo muy importante en la arquitectura, el diseño de interiores y la ingeniería eléctrica que se ocupa del diseño de sistemas de iluminación como luz natural, luz eléctrica o ambas para satisfacer las necesidades humanas. El proceso de diseño tiene en cuenta la cantidad de luz necesaria. Acompañados por la creencia de que la luz y el brillo podrían ayudar a crear una arquitectura icónica y un mundo humano mejor, el vidrio y el metal se transformaron de manera innovadora para crear imágenes nítidas. Como resultado, en la arquitectura se transfirió de una forma espacial interna a una superficie externa.
Figura 3: Nanotecnología: nanocristales que emiten luz visible
Hay ejemplos en la arquitectura contemporánea que han utilizado la luz de forma magistral a través del control de la luz y los materiales, ya que permiten que cada espacio muestre con tranquilidad su personalidad al usuario. En algunos edificios, la luz se vuelve casi irreal al combinarse con la oscuridad de los materiales, la piedra, los reflejos en el agua y el vapor que construyen una atmósfera única.
Los estudios fotométricos a veces se denominan "diseños" o "punto por punto". Se utilizan para simular diseños de iluminación para proyectos antes de su construcción o renovación. Este tipo de enfoques ayudan a los arquitectos, diseñadores de iluminación e ingenieros a determinar si una configuración de iluminación propuesta proporcionará la cantidad de luz prevista. También determinan la relación de contraste entre la luz. Dichos estudios están referenciados en las prácticas de iluminación recomendadas por IESNA o CIBSE para el tipo de aplicación.
Los aspectos de diseño deben tener en cuenta la seguridad o la practicidad a la hora de mantener niveles de luz uniformes, evitar el deslumbramiento o enfatizar determinadas zonas. Se utiliza una aplicación de diseño de iluminación especializada para crear y combinar el uso de dibujos CAD digitales bidimensionales y software de simulación de iluminación. Acompañados por la creencia de que la luz y el brillo podrían ayudar a crear una arquitectura icónica y un mundo humano mejor, el vidrio y el metal se transformaron de manera innovadora para crear imágenes nítidas. Algunos proyectos destacan no sólo por su forma innovadora de manejar materiales tangibles, sino también por su imaginación con respecto al medio de la luz. Las teorías de la fragmentación y la fluidez son hoy técnicas de diseño bien conocidas en el campo de la arquitectura.
Aplicaciones de entretenimiento
Se ha demostrado que la iluminación profesional proporciona mucho más que el nivel adecuado de brillo. Crea el ambiente y apoya las composiciones y conceptos de los diseñadores de iluminación. Crear diversos ambientes que expresen emociones es una de las principales funciones de la iluminación y la convierte en un elemento de diseño central en producciones de cine y televisión. El tipo de luz adecuado denota tensión, excitación, dramatismo, alegría y fascinación. Por tanto, la iluminación juega un papel importante a la hora de crear momentos inolvidables en las producciones cinematográficas y televisivas.
Fig. 4: Proyector láser: revolucionando el entretenimiento en el hogar
Los láseres también han demostrado su utilidad en el ámbito del arte y el entretenimiento. Un rayo láser es una varita de luz que puede ser a la vez hermosa y práctica. La visión de una puesta de sol de color rojo intenso o de un arco iris multicolor a menudo inspira sentimientos de felicidad, romance e incluso asombro. Durante muchos siglos, los artistas han intentado reproducir la belleza de la luz en pinturas. Los inventores dieron a los artistas herramientas mecánicas como la cámara que utiliza la luz para crear arte. Esto es realmente divertido y hermoso como se ve en la película. El joven Sherlock Holmes fue la primera película en utilizar un láser para imprimir imágenes directamente en la película. Fue lanzado en 1985 e ILM (Industrial Light and Magic) creó la mayoría de los efectos especiales. En una de sus escenas, un caballero pintado en la ventana de una iglesia cobra vida. Entonces Knight salta por la ventana y arroja a un sacerdote fuera de la iglesia. Del mismo modo, muchas películas de ciencia ficción no sólo utilizan láseres para crear sus efectos especiales, sino que también representan láseres o dispositivos similares a láseres. De hecho, los láseres reales han añadido una dimensión nueva y visualmente emocionante al mundo del entretenimiento. Se espera que en el futuro los científicos y artistas sigan combinando sus talentos para producir muchas nuevas formas creativas y dramáticas de entretenimiento basado en láser.
¿Se puede mejorar la interacción luz-materia?
La mayoría de los procesos de interacción luz-materia están prohibidos por reglas de selección electrónica que limitan el número de transiciones entre niveles de energía. Debido a que el átomo es mucho más pequeño que la longitud de onda de la luz emitida (entre 1/1.000 y 1/10.000 del tamaño), esto perjudica sustancialmente las interacciones entre los dos. Sin embargo, un nuevo estudio del Instituto Tecnológico de Massachusetts (MIT) podría abrir nuevas áreas de la tecnología para hacer que el impulso de las partículas de luz, llamadas fotones, se asemeje más al de los electrones, que suele ser de muchos órdenes de magnitud mayor.
Fig. 5: Tecnología solar: hacia una mayor eficiencia
Según los investigadores, si podemos “disminuir” las longitudes de onda de la luz en órdenes de magnitud, reduciéndolas casi a la escala atómica, esto permitirá toda una gama de interacciones relacionadas con la absorción o emisión de luz. En el material bidimensional llamado grafeno, la luz puede interactuar con la materia en forma de plasmones, un tipo de oscilación electromagnética en el material que realiza interacciones de una magnitud mucho mayor que la que tendrían en materiales ordinarios. La utilización de estas transiciones prohibidas podría abrir la posibilidad de adaptar las propiedades ópticas de los materiales de formas sin precedentes.
Esta investigación explora sistemáticamente cómo los materiales 2-D mejoran las interacciones luz-materia, estableciendo una base teórica para transiciones electrónicas más rápidas, una mejor detección y una mejor emisión, incluida la generación compacta de banda ancha y luz cuántica. Estrechamente confinada, la luz puede ser absorbida por el semiconductor o emitida por él. Esta contracción podría dar lugar a nuevos tipos de células solares capaces de absorber una gama más amplia de longitudes de onda de luz, lo que haría que los dispositivos fueran más eficientes a la hora de convertir la luz solar en electricidad. También podría conducir a la producción de dispositivos como láseres y LED que podrían ajustarse electrónicamente para producir una amplia gama de colores.
En breve
La interacción mejorada de la luz con la materia está preparada para revolucionar los campos de la medicina, la arquitectura, la industria del entretenimiento y más. De hecho, el uso de tecnología más avanzada tiene infinitas posibilidades para una variedad de aplicaciones en múltiples disciplinas, como espectroscopia y dispositivos de detección, células solares ultrafinas, nuevos tipos de materiales para absorber energía solar, láseres o diodos más eficientes y altamente sintonizables. emisores (LED). ) y fuentes de fotones para posibles dispositivos de computación cuántica.