PROPIEDADES DE LOS POLÍMEROS CONDUCTORES

 

 

    Hoy en día el estudio de estos materiales orgánicos ha concertado el encuentro interdisciplinario de numerosas áreas tales como la Química Orgánica, la Cristalografía de Rayos X, la Física del Estado Sólido, la Ciencia de los Materiales, la Espectroscopía Electrónica y Vibracional y la Ingeniería Microelectrónica.

 

    El reemplazo de semiconductores inorgánicos y metales por materiales orgánicos ha dado lugar al concepto de electrónica molecular.

La ventaja clave de estos materiales orgánicos ha sido su pequeño tamaño, diversidad estructural, relativa facilidad de fabricación y bajo costo potencial. Esto hace una gran diferencia con la electrónica de estado sólido. Las recientes mejoras en la procesabilidad de los polímeros conductores ha multiplicado sus usos prospectivos. La aplicación mas publicitada de estos polímeros ha sido en baterías, ya que ha sido demostrada la factibilidad de construir baterías recargables basadas en electrodos de poliacetileno .

 

    Las propiedades ópticas de estos nuevos materiales, específicamente sus propiedades ópticas no lineales  y propiedades eléctricas, son atractivas a la industria. Las propiedades ópticas no lineales son exhibidas por muchos conductores cristalinos y poliméricos. Estas propiedades resultan de la interacción de campos electromagnéticos con sistemas de electrones p deslocalizados. Esto permite anticipar muchos usos industriales tales como: comunicaciones ópticas, barridos por lasers y transmisión de datos para la nueva generación de computadores.

 

    Se ha explorado el uso de politiofeno y polianilina en visores electrocrómicos. Estos visores utilizan los cambios de color inducidos reversiblemente en el polímero por aplicación de potenciales eléctricos. Así, películas delgadas de politiofeno son azul intenso en su estado dopado y rojas en el estado no dopado. Es una alternativa viable a los visores de cristal líquido.

 

 

CONDUCTIVIDAD

 

 

     Tal y como ocurre con los semiconductores, los polímeros pueden ser dopados mediante la adición de pequeñas cantidades de ciertos átomos que modifican sus propiedades físicas. Se ha empleado el dopaje en diversos polímeros, como las polianilinas, polipirroles y politiofenos, logrando nuevamente un aumento considerable de la conductividad eléctrica.

 

      La gran mayoría de los polímeros conductores son polímeros p conjugados cuya cadena principal tiene enlaces dobles y sencillos alternados. Los átomos de C en la cadena principal tienen una hibridación sp2. Esta hibridación crea enlaces s covalentes entre los C de la cadena principal y los C de las cadenas ramificadas. La hibridación sp2 deja un orbital p no enlazado; estos orbitales se solapan y forman un enlace p. La flexibilidad de los polímeros les permite rotar  alrededor  de  los  enlaces  y  producir el movimiento de las cadenas.

 

    La conductividad en los polímeros conductores, aunque puede alcanzar valores metálicos (s >104 S/cm), es diferente de la conductividad metálica. En los polímeros conductores ésta sigue un proceso complejo que depende de la preparación y el dopado. Varios mecanismos que explican dicha conductividad han sido propuestos a lo largo de los últimos años. En un material conductor el flujo eléctrico proviene del movimiento  de  electrones,  los cuales pueden moverse dentro y a través de estados discretos de energía, conocidos como bandas. Cada banda tiene una capacidad finita de ser ocupada por electrones y las bandas también pueden estar vacías. El movimiento de los electrones ocurre únicamente entre bandas parcialmente llenas; la conducción de electricidad no puede llevarse a cabo ni en bandas completamente llenas ni en bandas vacías, como es el caso de los aislantes o de los semiconductores. Por el contrario, los metales poseen bandas parcialmente llenas. Existen dos tipos de bandas que determinan la conducción de electricidad en un material. Por un lado, la banda con el mayor grado de ocupación es llamada banda de valencia, mientras que la banda superior a ésta es conocida como banda de conducción. Los polímeros ordinarios se comportan como aislantes, ya que tienen una banda de valencia llena y una banda de conducción vacía. En el caso de los materiales aislantes existe una importante separación energética entre estas dos bandas, mientras que en el caso de los semiconductores esta separación es algo menor. Los polímeros conductores difieren de los polímeros aislantes debido, principalmente, a la presencia de agentes dopantes que modifican la cantidad de electrones en las distintas bandas. Los dopantes conocidos como tipo p remueven electrones de la banda de valencia, dejando a la molécula cargada positivamente.  Los dopantes  tipo  n  agregan electrones a la banda de conducción; de esta manera, la carga de la molécula resultará de signo negativo. Mediante el proceso de dopaje, la carga agregada al polímero (o removida de éste) produce un cambio en la posición de los átomos. Dichos cambios dan como resultado la aparición de “islas” de carga que pueden ser de tres tipos distintos, llamados solitones, polarones y bipolarones. Estas islas  se  forman  alrededor de los iones de la sustancia dopante. Los polímeros conductores que tienen anillos aromáticos no forman solitones pero sí poltrones (radical catiónico) o bipolarones (un par de polarones con spin opuesto). La formación de estas  islas  de carga  puede lograrse de  varias formas. Los polímeros conductores pueden oxidarse o reducirse introduciendo iones negativos o positivos, o fotones. Estos métodos son llamados dopado (electro)químico o fotodopado. Cuando se tienen altos niveles de dopado en las cadenas poliméricas, las islas se empiezan a traslapar, dando como resultado bandas semillenas, a través de las cuales los electrones pueden fluir libremente. El polímero se convierte así en conductor de electricidad. El cambio de estado de los polímeros conductores debido al dopado puede tener  varios  efectos.  Por  ejemplo,  el  estado electrónico cambia desde semiconductor a conductor, el color del polímero varía y también su volumen.

 

    Cuando  los  polímeros conductores  son  sintetizados  químicamente están en su estado neutro, como aislante o semiconductor. Para transformar el polímero a su estado conductor es necesario doparlo dependiendo dicha conductividad del tipo de dopante y grado de dopaje. La oxidación del polímero neutro se denomina dopado-p y la reducción dopado-n. En los polímeros conductores se pueden obtener porcentajes de dopado hasta del 44%. La oxidación y reducción electroquímica de los polímeros conductores son muy complejas, ocurren dos procesos simultáneos: la transferencia de electrones desde la cadena polimérica al electrodo y una inserción iónica en la película polimérica (para lograr la neutralidad) desde la disolución electrolítica. El cambio entre los estados oxidado y reducido es reversible, sin perder electroactividad, y está asociado a las diferentes propiedades de los polímeros conductores.

 

 

ELECTROCROMISMO

 

 

    El dopado de los polímeros conductores puede ocasionar un cambio en el estado electrónico del polímero de no conductor a conductor. Este cambio de estado influye no solamente en las propiedades electrónicas, sino también en las ópticas. Por ejemplo, la polianilina en su estado reducido es no conductora y transparente, en estado neutro es conductora y de color verde, y en estado oxidado es no conductora y azul oscura. Este cambio de color asociado al estado de oxidación se denomina electrocromismo y puede utilizarse en la fabricación  de  dispositivos electrocrómicos, ventanas inteligentes y papeles electrónicos. En tales aplicaciones, los polímeros conductores y sus mezclas presentan menores costos de producción y propiedades mecánicas más apropiadas que los óxidos inorgánicos tradicionalmente utilizados.

 

Cambios de color asociados al dopaje en algunos polímeros conductores.

 

 Polímero                    Color / forma no dopada                   Color / forma dopada

Politiofeno                              Rojo                                                            Azul      

Polipirrol                                Amarillo-verdoso                                Azul oscuro

Polianilina                              Amarillo                                              Verde o azul

Poliisotianafteno                         Azul                                                    Amarillo brillante

 

 

    Al aplicar un potencial eléctrico se puede causar el dopado o desdopado del PC y así producir cambios de color controlados. Para que estos cambios sean visibles uno de los electrodos debe ser transparente. En una ventana inteligente los cambios de color responden a las variaciones de la luz del sol o de la temperatura. En el estado transparente de la ventana, el polímero está en la forma no dopada. Para bloquear la luz del sol se aplica un potencial positivo que causa el dopado oxidativo del polímero, lo que se traduce en una coloración intensa. El cambio de color se produce cuando es aplicado un potencial negativo que desdopa el polímero. Sin embargo, con algunos polímeros el cambio de color ocurre por el proceso contrario, como el poliisotianafteno que es transparente en su estado dopado.

 

 

ALMACENAMIENTO DE CARGA

 

 

    Los polímeros conductores, tal como el polipirrol, pueden contener un ion dopante por cada tres o cuatro unidades de monómero. Por tanto, estos materiales pueden almacenar una cantidad importante de carga por unidad de volumen o peso. Esta alta capacidad de almacenamiento de carga está siendo utilizada y optimizada para construir baterías recargables.