Polímeros eléctricamente conductores

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Polímeros eléctricamente conductores

, Second B. Author, Jr., and Third C. Author, Member, UNBOSQUE

Abstract— This paper presents some recent developments in the field of electrically conductive polymers that have grown very fast since the discovery of the effect of doping in polyacetylene (PA) with oxidizing or reducing agents, causing a significant increase in conductivity. These polymers, also called synthetic metals, combine the electrical properties of semiconductors with the advantages of polymers and have such a wide reach in various applications and that’s why they are being perceived as the XXI century materials. The article explains with some detail the doping process that are used to achieve these special properties and finally, it highlights some of the important applications of electrically conductive polymers that show the great potential of these materials.

Keywords— Electrically conducting polymers, Doping, Electrical Conductivity, Polymers.

Resumen— En este artículo se exponen algunos desarrollos recientes en el campo de polímeros eléctricamente conductores que han crecido muy rápidamente desde el descubrimiento del efecto del dopaje en el Poliacetileno (PA) con agentes oxidantes o reductores, que provocan un aumento importante en la conductividad. Estos polímeros, también llamados metales sintéticos, combinan las propiedades eléctricas de los semiconductores con las ventajas de los polímeros y tienen un alcance tan amplio en diversas aplicaciones y es por esto que se están percibiendo como los materiales del siglo XXI. Se explica con cierto detalle el proceso de dopaje con el que se consiguen estas propiedades especiales y por último, se discuten algunas de las aplicaciones importantes de polímeros eléctricamente conductores con el fin de destacar el gran potencial de estos materiales.

Palabras Clave—Conductividad Eléctrica, Dopaje, Polímeros, Polímeros eléctricamente conductores.

1. INTRODUCCION

T

ípicamente, los polímeros convencionales tales como plásticos, cauchos, Etc., ofrecen una resistencia significativa a la conducción eléctrica y son dieléctricos o aislantes. Con la invención del poliacetileno conductor en los años 70, los polímeros conductores han recibido la atención significativa de las comunidades de la ciencia y de la ingeniería. Esto culminó en 2000, cuando el Premio Nobel fue otorgado a Alan J. Heeger, Alan G. MacDiarmid y Hideki Shirakawa por su descubrimiento y desarrollo de polímeros conductores eléctricos. Desde entonces, aplicaciones tales como la electrónica y los biosensores basados en polímeros han proporcionado un nuevo impulso para el crecimiento de esta comunidad de I + D. Con los avances en la estabilidad de los materiales, y un mejor control de las propiedades, un número creciente de otras aplicaciones también se están explorando actualmente.

Las propiedades que hacen estos conductores atractivos incluyen una amplia gama de conductividad eléctrica, que se puede lograr con varios niveles de dopaje, manteniendo al mismo tiempo flexibilidad mecánica y alta estabilidad térmica1. Incluso para aplicaciones robustas incluyendo iluminación LED y supercapacitores eléctricos, los polímeros conductores tienen ventajas sobre otros materiales candidatos tales como óxidos metálicos conductores. En este artículo, se presentan los polímeros conductores y sus aplicaciones.

El primer avance importante en el campo de los polímeros eléctricamente conductores tuvo lugar alrededor de 1978 cuando Shirakawa demostró que el poliacetileno (PA), un polímero orgánico conjugado intrínsecamente aislante, exhibe un aumento dramático en la conductividad eléctrica en el tratamiento con oxidante (aceptación de electrones) o agentes reductores (donadores de electrones). Estas reacciones de oxidación y reducción, que inducen una alta conductividad en PA, se denominan dopaje-p y dopaje-n, respectivamente.

El descubrimiento del PA de alta conducción llevó a un repentino auge en la actividad de investigación dirigida hacia el estudio de nuevos sistemas poliméricos conductores. La inestabilidad del PA en el aire intensificó aún más esta investigación (en exposición al aire, se forman enlaces covalentes entre átomos de oxígeno y carbono y estos enlaces disminuyen la conductividad del PA debido a su interrupción de los enlaces dobles conjugados). El resultado es que en la actualidad se conocen muchos nuevos sistemas conductores que incluyen polipirrol (PPY), polifenilacetileno (PPA), polifenilenosulfuro (PPS), polifenileno (PPP), politiofeno (PTP), polifurano (PFU), polianilina (PAN), poliisotianafteno (PIN) y sus derivados. Estos polímeros, aunque comparten muchas características estructurales tales como un esqueleto conjugado, una planaridad y una gran relación de anisotropía (es decir, la conductividad dentro de la cadena es mucho mayor que la conductividad inter-cadena), sin embargo tienen un amplio rango de conductividad dependiendo de; (I) El porcentaje de dopaje, (ii) La alineación de cadenas de polímero, (iii) La longitud de conjugación, y (iv) La pureza de la muestra.

1. Naturaleza de los Procesos de Dopaje

La naturaleza de los procesos que inducen una alta conductividad son diferentes para los polímeros y los semiconductores inorgánicos2. En el dopado de semiconductores inorgánicos, la especie dopante ocupa posiciones dentro de la red del material huésped, dando lugar de este modo a la presencia de sitios ricos en electrones o deficientes en electrones sin que se produzca transferencia de carga entre los dos sitios. La reacción de dopado en polímeros orgánicos conjugados, por otra parte, es una reacción de transferencia de carga, que da como resultado la oxidación o reducción parcial del polímero, en lugar de la creación de huecos, etc. Ahora está bien establecido que la exposición de PA a un agente oxidante X (o agente reductor M) conduce a la formación de un complejo polimérico cargado positivamente (o negativamente) y de un contraión que es la forma reducida X- (u oxidada M+) del oxidante o reductor. El "procedimiento de dopado" en el caso de los polímeros conductores puede ser, por lo tanto, más correctamente clasificado como proceso de oxidoreducción del siguiente esquema general:

Polímero + X ↔ (Polímero)n++Xn-

En el caso de un proceso de oxidación (dopaje-p)

Polímero + M ↔(Polímero)n-+Xn+

Para un proceso de reducción (dopaje-n)

Siendo X= I2, Br2, AsF5,… y M=Na, Li,…

Las reacciones anteriores se producen muy probablemente en el caso de polímeros insaturados con electrones π, ya que pueden ser fácilmente eliminados o añadidos a las cadenas poliméricas para formar poli-iones y, por lo tanto, los tipos de polímeros que asumen una alta conductividad en el dopado.

1. Ingeniería de Estructura de banda de baja Gap en polímeros conductores

El aumento de la conductividad eléctrica de varios polímeros conjugados orgánicos en el dopaje con agentes oxidantes o reductores no está exenta de problemas de acompañamiento. El proceso de dopaje, aunque mejora la conductividad del polímero orgánico conjugado, es a menudo la fuente de inestabilidad química y pobre procesabilidad en ellos. La posible eliminación del dopaje en la preparación de polímeros conductores mientras se sigue logrando una alta conductividad es una de las motivaciones originales para la necesidad de polímeros de gap pequeño. Se espera que tales polímeros sean conductores intrínsecos de electricidad y por lo tanto no habrá necesidad de doparlos. Los esfuerzos para el diseño de polímeros orgánicos conjugados con un gap pequeño son llamados con el nombre de Ingenieria de estructura de banda de polimeros novel (Band Structure Engineering of novel polymers). Las estructuras de algunos de estos polímeros se muestran a continuación3.

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