Polímeros conductores eléctricos
Polímeros conductores eléctricos
En los últimos años, los polímeros conductores electrónicos han adquirido una importancia creciente debido a su bajo costo de producción y la facilidad con la que pueden modificarse para obtener materiales innovadores que se utilizan en dispositivos electrónicos como OLED, células fotovoltaicas, sensores y transistores. Los polímeros conductores electrónicos deben tener enlaces dobles conjugados a lo largo de toda la cadena. El polímero más simple en esta categoría es el poliacetileno de cadena lineal sintetizado por Natta en 1958, cuyo estudio, sin embargo, fue abandonado inmediatamente porque el polímero había resultado insoluble, imposible de fundir e inestable en el aire. La síntesis de poliacetileno con catalizadores Ziegler-Natta conduce principalmente a la forma cis si la reacción se lleva a cabo a temperaturas muy bajas (-78 ° C), a temperatura ambiente se obtiene una mezcla cis-trans, mientras que la forma trans se obtiene a 150°C. El descubrimiento de los polímeros inherentemente conductores (ICP), es decir, polímeros conductores por naturaleza, se dio por casualidad más que por cualquier otra razón. Los polímeros conductores eléctricos surgieron a raíz de una afortunada equivocación en el año 1977 de un estudiante dirigido por el doctor Shirakawa (Instituto Tecnológico de Tokio). Debido a tal error, se obtuvo por primera vez un polímero, el poliacetileno, con una conductividad eléctrica mil millones de veces mayor que la esperada. El motivo para tan extraordinario resultado fue que dicho estudiante agregó mil veces más catalizador (yodo) que el requerido en las instrucciones, lo cual generó cambios sorprendentes en la estructura del polímero. Desde entonces se ha podido emplear el dopaje en diversos polímeros, como las polianilinas, polipirroles y politiofenos, logrando nuevamente un aumento considerable de la conductividad eléctrica.
En general, los polímeros conductores, casi todos orgánicos, presentan enlaces deslocalizados (con frecuencia en un grupo aromático) que forman una estructura similar a la del silicio. Casi todos los polímeros conductores son conocidos semiconductores gracias a su estructura en bandas, aunque algunos se comportan como metales conductores. Los principales tipos de polímeros conductores orgánicos son:
- poliacetilenos
- polipirroles
- politiofenos
- polianilinas
- politiofeno
- poliSNS
- poliparafenileno
- poli (parafenilenvinilo)
- polietilen dixitiofeno (PEDOT)
- policloruro de paracresol fenileno (PVPP)
Un polímero conductor consiste básicamente en una cadena carbonada muy larga que presenta una conjugación muy extendida. Por conjugación se entiende la alternancia de enlaces dobles. A diferencia de los metales, los polímeros son macromoléculas formadas por la unión covalente de pequeñas estructuras (monómeros) que se repiten a lo largo de la molécula. Así se consigue que sus electrones tengan una cierta libertad de movimiento. El poliacetileno es uno de los polímeros conductores más simple y en él es fácil de observar este tipo de estructura :
Para la obtención de los polímeros inherentemente conductores es manipular su estructura química, del tal forma que los electrones puedan fluir libremente, ya que esto es lo que permite que se lleve a cabo la conducción por parte de un material. Modificando el poliacetileno con vapor de yodo el poliacetileno mostra una conductividad eléctrica con un incremento de nueve órdenes de magnitud respecto al material original. Este tratamiento con halógenos se denominó dopado, debido a su analogía con el dopado de semiconductores. La forma dopada de poliacetileno tenía una conductividad de 103 S/cm, un valor mayor que cualquier otro polímero hasta entonces conocido. Como comparación, se puede citar que la conductividad del teflón (aislante) es de 10-14 S/cm , mientras que la de la plata o el cobre (buenos conductores) es de 106 S/cm. Este tipo de estructura (alternancia de enlaces simples y dobles) tiene la propiedad fundamental de poseer orbitales electrónicos p extendidos sobre toda la estructura. Un electrón situado en uno de estos niveles estaría muy deslocalizado y tendría una gran libertad de movimiento, de manera que sería posible conseguir la conducción de electricidad. En general los electrones forman un enlaces localizados, es decir, están asociados a un par de átomos en particular dentro de la molécula y por lo tanto no se pueden mover de su posicion, por esta razón la mayoría de los polímeros son aislantes. Cuando la estructura cuenta con enlaces dobles conjugados osea los enlaces en la cadena son simples y dobles, alternándose esto tipo de estructura esla característica tipica de los polímeros semiconductores.
Aunque se llaman conductores electrónicos, estos polímeros son en realidad semiconductores. El poliacetileno, por ejemplo, tiene una conductividad de 4.4 10-5 Ω-1cm-1. Sin embargo, cuando se encontraron técnicas para obtener poliacetileno en forma de película delgada, se descubrió que su conductividad aumenta mucho si se expone a los vapores I2. Esta operación se denomina dopaje y produce poliacetileno con una conductividad de 104 Ω-1 cm-1, no muy diferente de la de los conductores metálicos (Cu: 106 Ω-1cm-1).
Debe enfatizarse que el dopaje de un semiconductor polimérico es un proceso redox y, por lo tanto, es reversible, y no debe confundirse con el dopaje de un semiconductor inorgánico, como el silicio, que consiste en introducir en su red cristalina átomos de diferente naturaleza química (arsénico o galio) con una valencia electrónica más o menos que el silicio y, por lo tanto, es un proceso irreversible. Inicialmente, la oxidación produce un catión radical llamado polarona que puede oxidarse por segunda vez para formar una dicación llamada bipolarona. Las dos cargas eléctricas positivas de la bipolarona tienden a repelerse entre sí y a distanciarse en la cadena, de modo que entre una carga y la otra hay tres o cuatro dobles enlaces. Cada carga positiva en el polímero está asociada con un anión I para garantizar la electroneutralidad. La oxidación se puede hacer, así como químicamente con yodo (I2), también por vía electroquímica. Aunque el poliacetileno dopado tiene buena conductividad eléctrica, no ha encontrado aplicaciones comerciales hasta ahora porque es demasiado sensible al aire y la humedad. Otros polímeros conductores han demostrado ser más estables tanto en forma neutra como conductora. Su conductividad (aproximadamente 102 Ω-1cm-1) es más baja que la del poliacetileno, pero aún es suficiente para muchas aplicaciones.
Aplicaciones
Estos materiales actualmente se utilizan en diferentes aplicaciones gracias a la flexibilidad que ofrecen para los diseños, a su resistencia química y a la corrosión, y a sus beneficios de procesamiento, entre otros. Es más, se considera que los termoplásticos con refuerzos conductores para disipación estática se encuentran entre los materiales de ingeniería con mayor crecimiento. Las aplicaciones de los polímeros conductores son numerosas y variadas, entre ellas destacan: baterías orgánicas, una de las aplicaciones más prometedoras de los PC son las baterías recargables totalmente poliméricas. , visores electrocrómicos, sensores químicos, diodos emisores de luz, aditivos anticorrosivos, entre otras. Por otra parte cualquier dispositivo que incorpore un polímero conductor requiere un compromiso entre la conductividad, la procesabilidad, la solubilidad y la estabilidad química y ambiental. Tienen propiedades infinita, pued cambiar su volume bajo carga electrica lo que permite desarrollar los músculos artificiales para microrrobótica, puede cambiar color (electrocromismo), pudiendo usarse esta propiedad para construir ventanas inteligentes, pantallas planas, filtros de luz y lonas miméticas, como la piel del camaleón, pueden, in determinadas condiciones almacenan cargas, siendo tal vez adecuados para pilas y baterías biodegradables. Son biocompatibles con las neuronas y se trabaja para que lleguen a ser el muelle de conexión entre equipos electrónicos y el sistema nervioso: la base de los nervios artificiales.
Actualmente no está disponible, sin embargo, comuníquese con Mexpolimeros para obtener más información, contáctanos tech@mexpolimeros.com