El salto de la conducción.

 Conductividad de polímeros

 A lo largo de la historia, los descubrimientos accidentales han sido motivo tanto de fracaso como de avance, en todos los ámbitos humanos, y la ciencia no es la excepción. En el año de 1977 el Dr. Shirakawa y su equipo cometieron un error, resulta que añadieron mil veces más la cantidad de catalizador necesario al tratar de sintetizar  poliacetileno; este accidente, trajo consigo uno de los descubrimientos más significativos del siglo XXI: La creación de polímeros

La mayoría de los polímeros son buenos aislantes. Pero algunos conducen la electricidad a un pequeño grado, bajo la influencia de luz, por ejemplo, el poly(N-vinilcarbazol), que es un fotoconductor. Algunos polímeros notables tienen una gran capacidad conductora en presencia de algunos aditivos, llamados dopantes.

Los polímeros, son un conjunto de monómeros que alternan sus enlaces sigma y pi, creando una capa de densidad electrónica a los costados de la cadena polimérica con los orbitales de valencia de cada uno de los monómeros.

Los polímeros son semiconductores, debido a que presentan una conductividad casi nula, por lo que sus aplicaciones primordiales son como aislantes. La conductividad se puede dar en cualquier material que permita un libre movimiento de los electrones a través de su estructura. Esta propiedad está limitada por tres factores: la pureza, la temperatura y la estructura electrónica del material. Definiremos brevemente los tres diferentes tipos de fenómenos de conducción característicos, según el tipo de material:

Conductor: El material deja circular  una corriente eléctrica a través de su estructura, mostrando algún grado de resistencia al flujo de electrones.

Superconductor: Permiten una corriente eléctrica, con la sorprendente  cualidad de no mostrar o tener resistencia alguna al flujo eléctrico, ni presentar pérdida de energía.

Semiconductores o dieléctricos: Pueden comportarse como conductor o como aislante dependiendo de las cualidades específicas del material  o del medio al cual se le exponga.

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Figura 1.1 Observamos la conductividad de distintos materiales medida en S/m (siemens por metro) desde aislantes hasta conductores.

 Por medio de diferentes procesos se puede manipular la estructura química de un material para que presente propiedades conductoras. Como es en el caso de los polímeros con el dopaje, la ionización por solitones y la electroquímica, por mencionar solo algunos de los procesos conocidos.

El método más popular  es el dopaje, que básicamente consiste en oxidar o reducir la molécula. Hay dos tipos de dopaje: el dopaje tipo “N” y el tipo “P”. El primero consiste en añadir átomos de diferente tipo para aumentar el número de cargas libres en la molécula, es decir reduce la molécula. En cambio, el dopaje tipo “P” lo que hace es oxidar la cadena por medio de otros átomos para poder generar huecos en la banda de valencia, haciendo que haya libertad de electrones en la cadena requiriendo menos energía (consultar figura 1.2). Un hueco de electrón es la ausencia de electrones en la banda de valencia.

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Figura 1.2

Otro método es la ionización por solitones. Los solitones o fonones son básicamente ondas electromagnéticas con una frecuencia constante que no se debilita al atravesar materia, éstos comúnmente son utilizados en la física de sólidos ya que a diferencia de los fotones, que son partículas de energía luminosa, el fonón es una partícula que provoca oscilaciones de cierta frecuencia provocando ruido o resonancia en la molécula. Para llevar a cabo la ionización se  bombardea la estructura  con los solitones, esto altera el nivel energético de los electrones de la banda de valencia. La cadena tiende a doblarse o torcerse cuando son atravesadas por los solitones, lo cual favorece que dicha partícula transporte las cargas a través de redes cristalinas o materiales orgánicos como los polímeros  conductores a nivel molecular.

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Figura 1.3 Tres tipos de solitones y sus bandas de energía.

El método de síntesis electro química, cuenta con la ventaja de que se tiene controlado el grosor y la forma del polímero. Consiste en aplicar una diferencia de potencial en una disolución en la cual se encuentra disuelta una sal, que a su vez tiene a los monómeros en un electrodo, con el tiempo y la intensidad de corriente, los monómeros empezaran a conglomerarse formando el polímero. El compuesto iónico disuelto en el agua juega un papel importante ya que aparte de permitir la conducción de corriente en la solución, provoca que el polímero sea creado de raíz con la propiedad conductora por la oxidación o reducción de los iones de la sal.

La mejor manera de explicar la conducción de los polímeros, sin importar el método que se haya usado, es a través de la teoría de bandas. Éste postulado nos propone la existencia de dos orbitales actuando entre sí. El primer orbital es el de valencia también conocido como banda de valencia y el segundo orbital es conocido como banda de conducción, que es el siguiente orbital inmediato de la banda de valencia. El movimiento de los electrones entre estas bandas,es lo que explica la conducción en los polímeros.

Para que exista una mayor conducción, la separación entre la banda de conducción y la banda de valencia tiene que ser mínima (consultar figura 1.4), de ésta manera los electrones pueden saltar entre las bandas con el mínimo de energía. En el caso de los semiconductores, cuando la molécula ya ha sido alterada la banda de conducción es ocupada por electrones libres, aquellos que fueron desligados de la banda de valencia son responsables de la conducción eléctrica.

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Figura 1.4 Esquema de la estructura de las bandas de los tres materiales.

A pesar de la gran utilidad a nivel tecnológico que podría brindarnos esta clase de polímeros, aun no queda resuelto como mejorarlos a nivel energético ya que la conductividad de éstos se debilita en función de la temperatura; sin embargo estos métodos y la teoría de bandas son un método sencillo para analizar el movimiento continuo de un gran número de electrones y a su vez para explicar cómo y qué hacen los distintos procesos de síntesis para lograr que un compuesto eléctricamente inerte, se convierta en un conductor.

Bibliografia:

Singh, H. (2009). Organic conductive molecules and polymers. Conductive Polymers: Transport, photo physics and application. Estados Unidos. CRC

Press Stevens, M..(1999). POLIMER CHEMISTRY AN INTRODUCTION. NEW YORK: Oxford University Press, Inc.

Canaher, C. Jr. (2003). POLIMER CHEMISTRY. New York: Marcel Decker, Inc

Gordon, G; Geoffrey, M.et.Al. (1997).Conductive electro active polymers. Intelligent Polymer Systems. Inglaterra. CRC Press.

Kirova, N. Brazovskii, S. Choi, A. Park, Y.W.. (2012). Non-linear transport by solitons in nanofibers of polymers in high magnetic field. Physica B: Condensed Matter, 407, 1939-1942. 2015, De scopus Base de datos.

Velázquez, Mario Pineda. (2009). Síntesis enzimática de polímeros potencialmente conductores a partir de compuestos aromáticos. Journal of chemistry, 1, 1-63. 2015, De scopus Base de datos.

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Bibliografía de imágenes:

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http://www.eis.uva.es/~macromol/curso11-12/Francisco/polimeros-elec/PAG5.html

http://www.eis.uva.es/~macromol/curso04-05/polimeros_cond/aplicaciones.htm

http://www.quimitube.com/videos/enlace-metalico-teoria-de-bandas

Lectura sugerida:

Teoría de bandas: http://www.quimitube.com/videos/enlace-metalico-teoria-de-bandas

Equipo:

Apsahara Nohemí González Hodges.

Leslie María de los Ángeles Cárdenas Pacheco.

Ana María Morales Vidal.

Glen Galeana Moreno.

Juan Rolando López Hernández.

Stephanie Hernández Castro.

Yael Sarai  Sánchez Mendoza.

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