Polímeros Conductores y Electroactivos

Los polímeros conductores y electroactivos transportan carga eléctrica o responden eléctricamente debido a una cadena principal conjugada que, cuando se dopa, se convierte en un semiconductor o casi-metal, transformando los plásticos en materiales electrónicos activos.

Definition

Los polímeros conductores y electroactivos son macromoléculas orgánicas cuyas cadenas principales conjugadas, después del dopaje, conducen carga eléctrica o experimentan cambios redox y ópticos reversibles, lo que les confiere un comportamiento eléctrico que va desde semiconductor hasta metálico.

Scope

Este tema abarca polímeros intrínsecamente conductores como el poliacetileno, el polipirrol, el politiofeno, la polianilina y el PEDOT: el papel de la conjugación de la cadena principal, el mecanismo y la química del dopaje, los portadores de carga incluyendo polarones y bipolarones, y el comportamiento electrónico, óptico y electroquímico resultante explotado en dispositivos.

Core questions

• ¿Por qué la conjugación de la cadena principal permite que la carga se mueva a lo largo de una cadena polimérica?
• ¿Cómo el dopaje convierte un polímero conjugado aislante en un conductor?
• ¿Qué son los polarones y bipolarones y cómo transportan la carga?
• ¿Cómo se utilizan estos polímeros en dispositivos electrónicos y electroquímicos?

Key theories

Conjugación y formación de bandas

La alternancia de enlaces simples y dobles a lo largo de la cadena principal deslocaliza los electrones pi en estados extendidos que se asemejan a las bandas de valencia y conducción, proporcionando la estructura electrónica que, una vez que se añaden portadores de carga, soporta la conducción.

Dopaje y portadores de carga

El dopaje oxidativo o reductivo elimina o añade electrones, creando defectos cargados y móviles (polarones y bipolarones) en la cadena y aumentando la conductividad en muchos órdenes de magnitud, un proceso que a menudo es electroquímicamente reversible.

Mechanisms

En un polímero conjugado, la superposición de orbitales p a lo largo de la cadena principal deslocaliza los electrones, pero la cadena neutra tiene una banda llena y se comporta como un aislante o semiconductor. El dopaje por oxidación o reducción química, o por carga electroquímica, introduce portadores de carga en forma de polarones y bipolarones —distorsiones cargadas localizadas que se mueven a lo largo y entre las cadenas. La conductividad, la absorción óptica y el color del material cambian reversiblemente con el nivel de dopaje, lo que constituye la base del comportamiento electroactivo. El transporte de carga en general está limitado por el salto entre cadenas, por lo que la morfología y el orden afectan fuertemente el rendimiento.

Clinical relevance

Los polímeros conductores y electroactivos permiten la electrónica orgánica y los dispositivos energéticos: las películas basadas en PEDOT sirven como electrodos transparentes y recubrimientos antiestáticos, los polímeros conjugados actúan como la capa activa en diodos orgánicos emisores de luz, transistores y celdas solares, y los polímeros redox-activos se utilizan en sensores, ventanas electrocrómicas, supercondensadores y electrodos de batería.

History

Heeger, MacDiarmid y Shirakawa descubrieron en 1977 que el dopaje del poliacetileno aumentaba su conductividad en muchos órdenes de magnitud, estableciendo los polímeros conjugados como materiales electrónicos y obteniendo el Premio Nobel de Química en 2000; las décadas posteriores produjeron conductores estables y procesables como la polianilina y el PEDOT que llevaron el campo a los dispositivos comerciales.

Key figures

• Alan Heeger
• Alan MacDiarmid
• Hideki Shirakawa

Seminal works

• heeger2001
• young2011

Frequently asked questions

¿Son los polímeros conductores por sí mismos?

En su estado neutro, la mayoría de los polímeros conjugados son semiconductores o aislantes. Solo se vuelven altamente conductores después del dopaje, que añade o elimina electrones para crear portadores de carga móviles a lo largo de la cadena principal.

¿Dónde se utilizan los polímeros conductores?

Aparecen en diodos orgánicos emisores de luz, celdas solares y transistores, como recubrimientos de electrodos transparentes y antiestáticos, y en sensores, pantallas electrocrómicas y electrodos de almacenamiento de energía, donde su comportamiento electrónico sintonizable y procesable es valioso.