I materiali luminescenti a fibra ottica realizzati con elementi delle terre rare svolgono un ruolo molto importante nella nostra vita e nel nostro lavoro, fornendoci luce e rendendo la nostra vita più varia. Le fonti luminose a risparmio energetico, i televisori, i telefoni, i monitor dei computer, gli strumenti diagnostici medici e altri dispositivi che utilizziamo quotidianamente non possono fare a meno dei materiali luminescenti. Ma cosa sono i materiali luminescenti?
L'aggiunta di una quantità appropriata di elementi delle terre rare ai materiali fluorescenti consente a questi ultimi di emettere luce di diversi colori. I materiali luminescenti sono sostanze capaci di trasformare l'energia assorbita in una forma di radiazione luminosa. La luce emessa dai materiali luminescenti è luce fredda, diversa dalla radiazione luminosa emessa da corpi caldi. I materiali luminescenti, infatti, si discostano dallo stato di equilibrio termico quando vengono stimolati da una certa forma di energia esterna, e quando ritornano allo stato di equilibrio originale (stato fondamentale), rilasciano parte dell'energia assorbita sotto forma di radiazione luminosa. Pertanto, a differenza della radiazione luminosa emessa dai corpi caldi, che dipende dalla temperatura, la lunghezza d'onda della luce emessa dai materiali luminescenti dipende principalmente dalla differenza di energia tra i livelli di energia dello stato eccitato e quello fondamentale.
Tranne La3+ e Lu3+, tutti gli altri ioni di lantanidi, bivalenti o trivalenti, sono particolarmente adatti come materiali luminescenti grazie al loro guscio 4f incompleto e alla ricca struttura energetica all'interno della configurazione 4f-4f e tra i livelli 4f-5d, oltre che perché l'orbitale 5d si trova sulla superficie dell'ione, rendendolo sensibile ai cambiamenti nella struttura energetica causati dai ligandi circostanti. I materiali luminescenti a base di terre rare mostrano uno spettro di assorbimento, eccitazione ed emissione ampio e ricco. Prendendo come esempio il gadolinio (Gd3+), si contano 3.432 livelli di energia elettronica. Lo spettro dei lantanidi può coprire la regione dell'ultravioletto, del visibile e del vicino infrarosso, mostrando caratteristiche di emissione luminosa impossibili da ottenere o sostituire con altri elementi.
Poiché i rari elementi delle terre rare utilizzati nei materiali luminescenti sono 12 (esattamente come le 12 vitamine necessarie all'organismo umano) e la quantità di terre rare aggiunta ai materiali luminescenti è minima, simile alla quantità di vitamine microscopiche necessarie al corpo umano, alcune persone hanno paragonato le terre rare alle "vitamine" dei materiali luminescenti.
Gli ioni di terre rare possono combinarsi con sostanze organiche per formare materiali luminescenti organici, oppure essere incorporati in materiali inorganici per formare materiali luminescenti inorganici. I materiali luminescenti a base di terre rare possono essere cristallini (come la fosforescenza), o amorfi o non cristallini (come il vetro luminescente). Gli ioni di terre rare sono generalmente utilizzati nei materiali luminescenti come attivatori o sensibilizzatori del centro luminoso, mentre alcuni lantanidi sono anche utilizzati come materiali di base per i materiali luminescenti.
I materiali luminescenti a base di terre rare necessitano di assorbire energia e di essere eccitati per emettere luce, ma la forma di energia assorbita può essere diversa: può essere energia luminosa, elettrica, raggi X o particelle ad alta energia, oltre che energia chimica, biologica o meccanica. Pertanto, i materiali luminescenti a base di terre rare, oltre ad essere utilizzati per l'illuminazione e la visualizzazione, trovano ampia applicazione anche in campi quali la sicurezza, la salute, la produzione agricola, l'archiviazione delle informazioni e l'esplorazione aerospaziale.