POLÍMEROS CONDUCTORES
Iván Julián Fontán García
Darren John Shepley
Carmen Carrión Murcia
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1.- INTRODUCCIÓN: HISTORIA Y DESARROLLO
Premio Nobel de Química 2000:
Alan Heeger, Alan MacDiarmid, Hideki Shirakawa (desarrollo de la física de semiconductores)
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1935: nylon-66. Algunas tribus indígenas ya usaban la
resina del caucho como algo similar a un zapato.
1977: se sintetizó el primer plástico conductor.
1981: se fabricó la primera batería con electrodos de plástico conductor.
El descubrimiento de los polímeros conductores sucedió “por accidente”
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2.- ESTRUCTURA
Dos moléculas de poliacetileno
Los átomos de C están unidos entre sí por una serie alternativa de enlaces dobles y simples(…=C-C=C-C=C- …) Característica general de todos los polímeros conductores: hiperconjugación de enlaces.
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3.- SÍNTESIS DE POLÍMEROS CONDUCTORES
Por medios químicos la síntesis y el dopado se producen por etapas.
Por medios electroquímicos la síntesis y el dopado se producen simultáneamente.
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4.- CARACTERIZACIÓN
La ciclovoltametria muestra los potenciales a los cuales los procesos de oxidación y reducción ocurren.
La Resonancia Magnética Nuclear (RMN) da evidencias del tipo de enlace que se forma durante la polimerización y también muestra resultados sobre el tipo de dopado.
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La XPS (X-ray Photoelectron Spectroscopy) también provee información como la naturaleza de la especie dopante, grado de dopado, y los sitios de polimerización.
El microscopio electrónico de barrido
(SEM).
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PROPIEDADES
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Conductividad
Para que un polímero pueda conducir la corriente eléctrica debe poseer mas o menos electrones de lo que normalmente le correspondería.
Debe estar compuesto por enlaces simples y dobles alternados entre los átomos de carbono. Esto permite que los electrones adicionales o los huecos de electrones puedan moverse a lo largo de la molécula.
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Los polímeros pueden ser dopados mediante la adición de pequeñas cantidades de ciertos átomos que modifican sus propiedades físicas.
Al dopar el poliacetileno con vapor de yodo, Shirakawa logró aumentar la conductividad del poliacetileno en mil millones de veces.
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Se ha podido emplear el dopaje en polianilinas, polipirroles y politiofenos, logrando aumentar considerablemente la conductividad eléctrica.
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Los dopantes conocidos como tipo p eliminan 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.
La oxidación del polímero neutro se denomina dopado-p y la reducción dopado-n.
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Electrocromismo(Cambios de color) Un cambio en el estado electrónico del
polímero afecta las propiedades electrónicas y ópticas.
Este cambio de color asociado al estado de oxidación se denomina electrocromismo.
Esta propiedad es fundamental para la fabricación de dispositivos electrocrómicos, ventanas inteligentes y papeles electrónicos.
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En una ventana inteligente los cambios de color responden a las variaciones de la luz del sol o de la temperatura.
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.
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Baterías recargables
APLICACIONES
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Baterías recargables
Son de menor peso El uso de electrodos de plástico evita el desgaste mecánico
asociado a la disolción/deposición del electrodo que ocurre durante el proceso de carga y descarga de las baterías comunes
Los polímeros no contienen sustancias tóxicas ni contaminantes
Más ligeras, flexibles y con una gran capacidad de aceptar y donar carga eléctrica reversiblemente
Larga vida y producen una densidad de energía varias veces mayor que las de los automóviles
La velocidad de descarga es espontánea y es menor que el de las clásicas
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Actuadores. Músculos Artificiales
Movimiento de una bicapa polímero conductor/cinta adhesiva, con la distribución de tensiones entre el polímero y la cinta y con los movimientos de aniones
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En un actuador tricapa, el mecanismo de actuación es básicamente el mismo que en la bicapa, sólo que mientras una película de PC se contrae la otra se expande, la capa soporte se encarga de mantener eléctricamente separadas las dos películas.
Actuadores. Músculos Artificiales
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Actuadores. Músculos Artificiales
Naturales• Cambios
conformacionales de Miosina (ATPADP)
• En contracción
Artificiales• Tranformación de energía
eléctrica variaciones conformacionales
• En expansión-contracción
Comparación con los naturales
•Cambios conformacionalescambio de volumen trabajo mecánico
•El proceso ocurre a una T constante y en medio acuoso
•Intercambio de iones con el medio
•Ca2+liberados •Oxidación del polímeroFlujo de iones
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Nervios Artificiales
El electrodo polimérico responde ante la concentración del medio con un potencial eléctrico.
Dispondremos de una Interfase :• Adecuada, biocompatible y sensible.
• Capaz de recibir señales eléctricas y transformarlas en iónicas Sistema Nervioso.
• Capaz de responder ante una variación de la concentración iónica (pulso nervioso) transformándola en una señal eléctrica.
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Recubrimientos Anticorrosivos
Alternativa para la protección contra la corrosión de sustratos ferrosos y no ferrosos
Película de polímero conductor como ánodo de sacrificio Protege galvánicamente el sustrato
No han sido desarrollados a la perfección
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Materiales Sensores Biosensor reconocimiento de moléculas
• Produce una señal eléctrica proporcional a la concentración de un analito
• Solución a los problemas de solubilidad y estabilidad de los intercambiadores de e-
• Aplicaciones biomédicas biosensores de glucosa
Sensor Analítico• Poder de cambiadores iónicos de los PC detectan
y separan iones ( de disoluciones acuosas u orgánicas) Polipirrol
• Versatilidad y bajo coste de fabricación
• Baja precisión de los resultados
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Otras aplicaciones
Farmacología Membrana separadora de gases Escudos electromagnéticos Membranas para la depuración de aguas
Otras aplicaciones
LEDs y Fotodiodos
Los PC pueden ser excitados por:
•Fotones incidentes desde una fuente de luz Fotoluminiscencia
•Inyección de cargas desde electrodos Electroluminiscencia
•Absorción óptica Fotovoltaico
LED
Fotodiodos
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Otras aplicaciones
Ventanas inteligentes Pantallas planas y dispositivos de
visualización Espejos inteligentes Filtros ópticos
Debidas al electrocromismo de los PC
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