Polímeros conductores

Polímeros conductores

1. Los polímeros conductores (CPs) son una clase de materiales orgánicos que poseen propiedades eléctricas y ópticas únicas, similares a aquellas de metales y semiconductores inorgánicos.

   • Aplicaciones tecnológicas
     • • • Los CPs sirven para dispositivos electrónicos por su alta conductividad eléctrica, flexibilidad mecánica y bajo costo. La incorporación de metales, semiconductores, nanomateriales de C y polímeros aislantes para formar nanocompuestos 1D puede afectar la conductividad de los CPs, que es potencialmente aplicable en diodos emisores de luz (OLEDs)
           • La luz se produce por la recombinación de portadores de carga (huecos y electrones) inyectados desde los contactos eléctricos del ánodo y el cátodo, respectivamente, en el emisor. La eficiencia cuántica externa representa la relación entre el número de fotones emitidos y el número de electrones que pasan a través del dispositivo.
             • Se han fabricado varios prototipos OLEDs basados ​​en CP, utilizando, PEDOT o PTAA como capa intermedia de inyección de agujeros y poli(fenileno vinileno) o polifluoreno como componente electroluminiscente.
   • Ejemplos de CPs importantes
     • Poliacetileno
       • • La cadena principal se compone de una cadena de polieno lineal, es flexible y se puede modificar con grupos R.
           • Posee conductividad eléctrica, fotoconductividad, propiedades de cristal líquido y reconocimiento quiral.
             • Puede ser sintetizado por varios métodos como la oxidación química, la polimerización electroquímica, electrohilado, autoensamblaje, fotoquímico, entre otros.
     • Polianilina
       • • El esqueleto del polímero consta de anillos quinoides y benzoides, en diferentes proporciones.
           • Se clasifican como leucoemeraldina, esmeraldina y pernigranilina, según su estado de oxidación.
             • Tiene alta estabilidad, alta procesabilidad, propiedades ópticas y conductoras ajustables.
               • Puede ser sintetizado por varios métodos como la oxidación química, la polimerización interfacial, electrohilado, técnica de microemulsión, etc.
     • Poli(p-fenileno)
       • • Es una macromolécula formada por núcleos aromáticos benzoides, unidos directamente por enlaces C-C.
           • Posee alta estabilidad térmica, alta estabilidad del aire y facilidad de dopaje, rigidez mecánica, conducción sintonizable y altas propiedades ópticas.
             • Se puede sintetizar mediante oxidación directa de benceno con un ácido de Lewis y un sistema oxidante (AuCl₃ and CuCl₂), la reacción de Wurtz-Fittig y la reacción de Ulman.
   • Propiedades
     • • Conductividad eléctrica
         • Propiedades ópticas
           • La estructura conjugdad genera una Eg estrecha entre HOMO y LUMO. Así, cuando un fotón es absorbido por un CP, un electrón puede ser promovido de HOMO a LUMO, produciendo un excitón (par electrón-hueco unido electrostáticamente). Esta especie, luego debe relajarse por algún proceso de desactivación; como lo son los fenómenos de fluorescencia o fosforescencia.
           • Humectabilidad
             • En general, son hidrofílicos; sin embargo, se puede producir una película con propiedades superhidrofóbicas dopando con ácidos hidrofóbicos. Esto es relevante ya que determina sus aplicaciones como superficies autolimpiantes, microfluidos, etc.
             • Mecánicas
               • Dependen de la disposición de los monómeros, cristalinidad, peso molecular y entrelazamiento de la cadena. Un polímero cristalino tiene mejores propiedades mecánicas que los amorfos. En cristalinos, dependen del cambios en la movilidad molecular; la cual se afecta por la estructura de las conformaciones ramificadas y las condiciones de presión, temperatura, etc. En amorfos, el movimiento molecular es mayor y cuando la temperatura alcanza la Tg, se transforma a un estado gomoso desde su estado vítreo.
               • Absorción de microondas
                 • Poseen capacidad de ser absorbentes de microondas ligeros, de alta frecuencia y de alta absorción; esto se estudió debido a sus bajas densidades y fácil procesabilidad.
                 • Magnéticas
                   • Esta se correlaciona con el transporte electrónico. A baja temperatura se demuestra comportamiento paramagnético. A medida que baja la temperatura, los espines se localizan y la transición orden-desorden se traduce en comportamientos paramagnéticos y semiconductores-aislantes.
         • Los materiales conductores tienen un bandgap reducido y las bandas de conducción y valencia se superponen. Además, los CPs al poseer estructuras que contienen enlaces pi, la deslocalización de electrones permiten que estos fluyan.
   • Reseña histórica
     • En 1977, los primeros CPs fueron descubiertos por Shirakawa, MacDiarmid y Heeger.
       • Shriakawa y su grupo de intvestigación sintetizaron un un polímero brillante y plateado, el trans-poliacetileno.
         • Antes de este desarrollo, el polinitruro de azufre era el prototipo de CPs. Este posee conductividad metálica intrínseca, donde los electrones se mueven libres en distancias largas dentro de la banda de conducción parcialmente llena.
           • En este material, la alternancia de longitud de enlace (BLA) es cero, característica clave para una alta conductividad.
         • Por su parte, en colaboración MacDiarmid, Heeger y sus equipos, descubrieron el gran potencial de dicho material, al demostrar que su conductividad eléctrica se puede aumentar diez millones de veces en exposición a vapores de halógenos.
           • El poliacetileno, sin embargo, es más estable cuando BLA ≠ 0, aumentando la brecha energética (Eg) entre las bandas de valencia y conducción, generando un comportamiento aislante.
             • Al exponerlo a vapores de halógeno, la brecha energética se reduce y mejora la densidad para conseguir un comportamiento semiconductor o metálico y cambia el color del material.
               • Es por ello, que en el 2000 se les otorgó el Nobel de química a estos tres investigadores.
                 • • Luego, los químicos se dieron cuenta que se pueden emplear heterociclos aromáticos para diseñar polímeros no dopados con propiedades intrínsecas semiconductoras personalizables. Así, en los 80s, con el descubrimiento de CP como la polianilina y el polipirrol, esta área explotó en los 90s con el desarrollo de distintos materiales por estrategias sintéticas.
   • Los CPs se clasifican según su tipo de carga eléctrica, como electrones π deslocalizados, nanomateriales conductores e iones.

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