PRINCIPALES APLICACIONES

Baterias

    Una de las aplicaciones más conocidas son las baterías recargables, estas son de menor peso que las convencionales que contenían plomo y ácido sulfúrico; entre otras propiedades.

    El uso de electrodos de plástico evita el desgaste mecánico asociado a la disolución/deposición del electrodo que ocurre durante el proceso de carga y descarga de las baterías comunes (Pb (S.)/ Pb2+ (aq)). Además los polímeros no contienen sustancias tóxicas ni contaminantes.

    La oxidación reversible del polipirrol y otros polímeros conductores y la formación de polarones y bipolarones suponen el almacenamiento de cargas positivas a lo largo de la cadena polimérica. Otros polímeros, como el politiofeno, pueden ser reducidos almacenando radical aniones y dianiones. El descubrimiento por Armand de que el polióxido de etileno disolvía, en estado fundido, al LiClO4 , y de que se podían obtener láminas sólidas y transparentes desde esta disolución, con una elevada conductividad iónica, cierra el círculo para una batería totalmente polimérica y en estado sólido: ánodo, cátodo y electrolito.

    Este tipo de baterías triplican la capacidad de las baterías de Li existentes en la actualidad, con un voltaje de dos a tres veces mayor que el de las baterías Ni-Cd y 1,5 mayor que las baterías Pb-ácido que se utilizan en los automóviles. Su mayor problema es que la velocidad de descarga espontánea (que determina la vida útil de una batería) resulta ser significativamente menor que el de baterías clásicas.

 

   

    Durante la descarga de una batería polimérica los electrones fluyen desde el ánodo (electrodo negativo) al cátodo (electrodo positivo) a través de un medio externo para reducir el polímero p-dopado al estado neutro (no dopado). Los aniones dopantes son expulsados del polímero hacia el electrólito. Al mismo tiempo, el litio del ánodo se disuelve en el electrólito como ion litio. Cuando todo el polímero es convertido desde el estado p-dopado al estado neutro, la batería está totalmente descargada. Para recargarla se aplica un potencial contrario. Durante la recarga el polímero neutro en el cátodo es oxidado  al  estado  p-dopado  tomando  aniones dopantes desde el electrolito, mientras el ion litio se deposita en el ánodo como litio metálico.

 

Aplicaciones biomédicas

 

MUSCULOS ARTIFICIALES

    La oxidación/reducción electroquímica de los polímeros conductores lleva asociado un cambio de volumen del material. El cambio de volumen (propiedad mecánica) está asociado al grado de oxidación y este a la carga consumida en el proceso electroquímico: propiedad electroquímica.

    Partimos de un polímero en estado neutro. Las elevadas interacciones polímero-polímero hacen que la estructura sea muy compacta. Al oxidarse y extraerse electrones de la cadena, las nacientes cargas positivas en cadenas vecinas provocan fuertes  repulsiones electrostáticas. Mediante variaciones conformacionales las cadenas se mueven, la estructura se abre y los contraiones de la disolución penetran en el polímero para mantener la electroneutralidad. Con los iones también penetran moléculas del disolvente. El polímero se expande. Como la cantidad de contraiones que penetran es controlado por la carga de oxidación, también lo es la variación del volumen: puede ser detenida en cualquier momento o puede ser invertida desde cualquier momento.

    Son de reseñar los siguientes aspectos del proceso: la modificación de las dimensiones, las variaciones conformacionales en las cadenas poliméricas, el intercambio de iones con el medio, el encadenamiento de procesos eléctricos, químicos y mecánicos, el mantenimiento de la temperatura constante y el trabajar con sistemas húmedos en disoluciones electrolíticas. Todos estos aspectos son compartidos por los polímeros conductores con los músculos naturales, en los que:

    Para transformar los movimientos conformacionales moleculares electroasistidos, en movimientos macroscópicos, en el laboratorio de Electroquímica de la Facultad de Químicas de San Sebastián, se ideó y patentó un dispositivo de doble capa, similar a los termómetros de bilámina metálica. Al electrodo metálico, recubierto de una película de polipirrol electrogenerada de 15 µm, se le adhirió una película polimérica comercial no conductora, de 30 µm. La bilámina polipirrol- película adherente fue pelada del electrodo y empleada como nuevo electrodo en una disolución acuosa.

    Al estar el movimiento basado en una propiedad electroquimiomecánica, estará influenciado por las variables químicas y eléctricas que actúen sobre la cinética electroquímica del proceso: el gradiente de potencial, la corriente que fluye por el sistema, o la concentración del electrolito en el medio.

    Al estar las variaciones de volumen relacionadas con el grado de oxidación del polímero, y estar éste controlado por el potencial eléctrico, debe de existir una relación biunívoca entre potenciales y volúmenes y, por lo tanto entre el potencial y la posición del extremo libre de la bicapa. Al dispositivo correspondiente se le denomina electroquimioposicionador.

    El estado actual de desarrollo de los músculos artificiales permite estar trabajando en aplicaciones para microrrobótica, en equipos quirúrgicos manejables al final de una sonda, en los catéteres para controlar su flexibilidad y facilitar su penetración, en equipos ópticos como posicionadores y como sensores-actuadores en sistemas de detección y alarma.

    El dispositivo, además de actuador es sensor. Cuando se le hace trabajar a densidad de corriente constante, el potencial de trabajo varía con las condiciones experimentales. Así al modificar la concentración del electrolito, el potencial de trabajo es tanto mayor cuanto menor es la concentración. Cuando se carga un peso en extremo libre del músculo, el potencial de trabajo, a corriente constante, aumenta con el peso arrastrado. En definitiva, el potencial de respuesta es sensible, y por lo tanto detecta, las modificaciones en las condiciones de trabajo.

    El dispositivo es capaz de desarrollar un trabajo mecánico y el dispositivo es capaz de arrastrar un peso varios cientos de veces superior al del polímero conductor adherido al extremo libre del mismo. Para la misma densidad de corriente, la velocidad del movimiento circular, o la energía mecánica desarrollada, dependen de la densidad de corriente por unidad de masa. Al igual que en los músculos naturales existe una relación entre energía mecánica desarrollada y masa muscular. Al estar el movimiento relacionado con la carga consumida mediante paso de corriente, el movimiento se puede detener, invertir, o acelerar en cualquier momento, sin más que hacer lo propio con la densidad de corriente. Los músculos artificiales basados en los polímeros conductores electrónicos intrínsecos fueron patentados en 1992. Constituyen la segunda generación de músculos artificiales. La primera se inició en 1955 por Katchalski y se basaba en geles poliméricos no conductores electrónicos. Los geles trabajan a muy elevados potenciales (> 20 V), necesitan dos electrodos metálicos auxiliares para crear el campo eléctrico que requieren, trabajan mediante fenómenos electrocinéticos (electroforesis y electro-ósmosis), son dispositivos electrocinetomecánicos y su velocidad de movimiento es baja.

    La segunda generación de músculos artificiales basados en polímeros conductores nos ha acercado a los músculos naturales en varios aspectos fundamentales: trabajan a bajo potencial (100 mV- 2 V) - los músculos naturales a 60-150 mV, que es el potencial del pulso nervioso- , el mismo material es conductor electrónico, iónico y es actuador y sensor de las condiciones de trabajo. El músculo natural se diferencia de la segunda generación de músculos artificiales en que en el primero el pulso eléctrico es solamente un disparador de la transformación de energía química en energía mecánica, mientras que en el artificial la corriente eléctrica es el motor del proceso. El músculo artificial trabaja tanto en contracción como en expansión, mientras que el natural solamente trabaja en contracción, el segundo consiste en las variaciones de energía siendo ésta química/mecánica en los naturales y eléctrica/mecánica en los artificiales.

NERVIOS ARTIFICIALES

    Las señales del sistema nervioso van codificadas en pulsos iónicos K+, Na+ o Ca2+, o químicos -neurotransmisores- muchos de ellos también iónicos. Para llegar a entender la sutileza de las órdenes enviadas por el cerebro para mover un brazo, y para poder llegar a amplificarlas y emplearlas en mover un brazo artificial o en conseguir que un paciente no pierda masa muscular después de un accidente cerebro-vascular, necesitamos un transductor ión-electrón. Los óxidos metálicos son empleados como transductores en redes neuronales, pero no son biocompatibles. Los polímeros conductores son biocompatibles, pero intercambian aniones

    El intercambio de aniones se puede transformar en un intercambio de cationes mediante una ingeniería molecular sencilla en la síntesis. Al electrogenerar polipirrol en presencia de un polielectrólito, como sulfato de poliestireno, carboximetil celulosa o poliacrilato sódico, se genera un material compuesto poilipirrol-polielectrolito, debido a que el polielectrolito va compensando las cargas positivas del polímero durante la generación. Al reducir el polímero los aniones no se van, ya que forman parte de una madeja polimérica entrelazada. Para mantener el principio de electroneutralidad obligamos a que penetren cationes desde el exterior para asociarse con el polianión. Durante la oxidación se expulsan los cationes.

    El polímero conductor se transforma así en un transductor en el que una entrada de electrones en el material va asociada con una entrada de cationes y viceversa. Al ser un gel y comportarse, al mismo tiempo, como una membrana, los cationes presentes en el polímero- y su potencial eléctrico -dependen de la concentración en el medio. Ello quiere decir que el electrodo polimérico responde ante la concentración del medio con un potencial eléctrico, por lo que disponemos de la interfase adecuada, biocompatible y sensible, capaz de recibir señales eléctricas y transformarlas en señales iónicas, por lo tanto entendibles por el sistema nervioso, o de responder ante una variación de la concentración iónica, provocada por un pulso nervioso; transformándola en una señal eléctrica. El trabajo se centra ahora, en distintos laboratorios del mundo, en la selectividad y en la capacidad de los transductores para reconocer, o liberar, los distintos iones o neurotransmisores. Ya se ha recorrido algún camino, si comparamos las respuestas energéticas y cinéticas de los polímeros conductores a distintos aniones, con los de los canales iónicos de las neuronas.

    En la actualidad se trabaja en la optimización de las condiciones de electrogeneración de composites polímero conductor-polielectrolito, en las cinéticas de intercambio iónico y en la modelización de las respuestas ión-electrón.

 

Biosensores

 

    Los  biosensores  amperométricos  constituyen  un  amplio  campo  de  trabajo  por su  interés científico y sus múltiples aplicaciones biomédicas y analíticas. Las posibilidades de inmovilización de los biorreactivos  (incluyendo  enzimas,  células, tejidos  y  anticuerpos)  son  muy  diversas,  lo  que  hace  que existan un gran número de trabajos científicos que se publican en la actualidad sobre el tema.

    Dentro  de  las posibilidades  de  modificar  la  superficie  de  los  electrodos empleados  en  la detección  amperométrica,  destacan  por  sus  ventajas  la  generación electroquímica de  polímeros  y  el incipiente desarrollo de sensores basados en la tecnología sol-gel.

    La formación de un polímero (conductor y no conductor) sobre un electrodo se realiza fácilmente aplicando un potencial eléctrico adecuado en el electrodo sumergido en una disolución de monómero. La inmovilización del enzima u otro biorreactivo se produce por su entrampamiento dentro de la estructura tridimensional del polímero, que queda restringida exclusivamente a la superficie sólida conductora del sensor. En el trabajo presentado se ha llevado a cabo la inmovilización del enzima glucosa oxidasa sobre el polímero conductor polipirrol, mediante un procedimiento de flujo continuo que reduce el consumo de disoluciones de monómero y enzima comparando con el procedimiento convencional directamente en una disolución, permitiendo además un mejor control de las propiedades del sensor (1,2). Se ha ensayado la determinación directa del peróxido de hidrógeno generado o la posibilidad de co-inmovilización mediante el entrampamiento simultáneo con el enzima de un  mediador de transferencia de carga que mejora la selectividad.

BIOSENSOR

    El dopado al que se someten los polímeros es bastante sensible al calor, sufriendo así una pérdida de conductividad al calentarse. Conectándolo a una resistencia, estos polímeros permiten controlar la temperatura a la que, por ejemplo, un producto farmacéutico llega a alterarse.

    Podríamos usarlos también como sensores de radiación si se colocan en una atmósfera de gases que los convierte en dopantes activos cuando son expuestos a radiación.

SENSOR ANALÍTICO

    Como otra aplicación debida al poder de cambiadores iónicos de los polímeros conductores podríamos hablar de este tipo de sensores, ya que son capaces de detectar y separar iones como Hg2+ e incluso Au0 de una gran variedad de disoluciones tanto acuosas como con disolventes orgánicos.

    En este caso es polímero elegido ha sido polipirrol funcionalizado con ditiocarbamato. Su gran desventaja radica en la baja precisión de los resultados obtenido en todos los estudios consultados. Como ventajas cabe destacar su una gran versatilidad en cuanto a capacidad de trabajo se refiere y su bajo coste de fabricación.

EJEMPLOS DE BIOSENSORES.

 

Aplicaciones debidas al electrocromismo:

    Al oxidarse y/o reducirse los metales orgánicos son capaces absorber/emitir luz en la región del visible, longitud de onda de 400 a 600 nm aproximadamente.

Ventanas inteligentes

 

    Permiten el control de la intensidad de la luz capaz de penetrar en un espacio cerrado: edificios, coches, aviones, etc. La más utilizada es una estructura de tres capas. La oxidación del polímero provoca un cambio del color (de amarillo claro a azul en polipirrol) e incrementa su reflectividad. La simultanea reducción del óxido provoca un cambio similar de incoloro a azul (oxido de wolframio). La capa intermedia actúa como un electrolito sólido transparente. Por lo tanto durante la oxidación del polímero la intensidad de luz que atraviesa la ventana desciende y la reflectividad aumenta. Durante la reducción polimérica ocurre el proceso inverso.

    La intensidad puede ser controlada manualmente o automáticamente mediante la conexión de un suministrador de potencial con un fotomultiplicador a través de un microprocesador y un programa que defina el nivel de intensidad requerido. Cuando anochece la luz no es suficiente para mantener la iluminación adecuada (estando el polímero en estado reducido) se conecta automáticamente la luz eléctrica y se controla la intensidad hasta alcanzarse el nivel adecuado de intensidad.

    Los parámetros técnicos más importantes son: el porcentaje de variación de la absorción entre los estados oxidado y reducido, y el tiempo de respuesta. El primer parámetro está relacionado con la capacidad de almacenamiento de carga en la película. El tiempo de transición está relacionado con las velocidades de oxidación/reducción, controladas por procesos de relajación.

PANTALLAS PLANAS Y DISPOSITIVOS DE VISUALIZACIÓN

    Ambos dispositivos están basados en propiedades electrocrómicas. Se pueden construir sobre sistemas transparentes o sobre superficies metálicas pulidas (espejos). Las propiedades más importantes son la variación de la definición del color en pequeñas superficies y los tiempos de transición, menores de 0.1 s para pantallas planas.

ESPEJOS INTELIGENTES

    Este dispositivo esta basado también en dispositivos electrocrómicos. Trabaja con grandes reflectancias y bajas absorciones. la reducción parcial provoca un incremento en la absorción evitando altas intensidades de reflexión en los espejos retrovisores de los coches.

FILTROS ÓPTICOS

    Un cambio en el estado de oxidación incluye un filtro para un nuevo color. Son necesarios polímeros que pasen a través de diferentes colores bien definidos (anilinas, tiofenos, etc.) o capaces de grandes variaciones de absorción en diferentes zonas del IR.

Escudos electromagnéticos:

    Los polímeros conductores absorben también energía electromagnética de bajas frecuencias se pueden utilizar, y de echo se hace, como escudos electromagnéticos para detener las pérdidas de radiación en los terminales de ordenador.

    Con este fin se utilizan normalmente plásticos rellenos de carbono o metales, pero debido a la facilidad de manipulación y a la mayor conductividad de los polímeros dopados homogéneamente les proporcionan ventajas. Las elevadas pérdidas de microondas de la polianilina hacen que sea especialmente valiosa para este fin.

Recubrimientos anti-corrosión:

    Gracias a que durante el dopaje se puede decidir si una parte del polímero debe ser inerte electroactivamente se ha diseñado recubrimientos para evitar la corrosión en aceros, TiGr2…

    Aunque todavía no han sido desarrollados a la perfección son capaces de proteger al substrato tanto en aire, como en disoluciones de H2SO4 de concentración hasta 4 N. Los polímeros elegidos en esta ocasión en todos los estudios consultados en el polipirrol y el poli-3-metiltiofeno.

Membranas para depuración de aguas:

    Se han desarrollado muchos esfuerzos en hacer membranas de recubrimiento de electrodo para poder descontaminar aguas, las membranas convencionales no son demasiado inertes, su vida es “bastante corta” y no son tan fácilmente manipulables como las membranas de plástico conductor.

    Se emplean membranas de polipirrol y polianilina como electrodos en cubas electrolíticas de transporte gracias a que la polaridad del polímero puede ser cambiada fácilmente con un pequeño ajuste en el potencial del sistema. Su uso más frecuente es la electrodiálisis en depuradoras de agua

    El principal objetivo de los estudios llevados a cabo se basa en tres aspectos fundamentales:

-  El transporte de materia tanto orgánica como inorgánica con éste tipo de electrodos.

-  Conseguir membranas robustas y que permitan un trabajo y limpieza fácil.

-  Tener un control en el flujo y la selectividad del transporte. Que se consigue con la disolución de sales inorgánicas.

    Por lo tanto esta es una aplicación de los polímeros conductores como meras resinas de intercambio iónico.