Polímeros conductores

martes, 1 de enero de 2013

En cuanto a materiales se refiere y con el enfoque que nos interesa, que es la electricidad, podemos decir que estos se dividen en conductores, semiconductores y aislantes. En esta sección hemos hablado ya de ellos y en esta ocasión, para conocer más, hablaremos de un tipo de materiales que a pesar de sus propiedades de aislante, se pueden volver conductores al aplicarles un tratamiento especial a nivel químico: Los polímeros conductores.
Para iniciar debemos saber que materiales naturales como la madera, el algodón, el cuero ó la seda son polímeros naturales y como polímeros artificiales podemos mencionar el poliéster, el PVC, el nylon, el plexiglas ó el teflón. La versatilidad de estos materiales favorece que se desarrollen aplicaciones en campos tan diversos como el sector textil, automovilístico, farmacéutico ó informático. Debido a ello los científicos sueñan con innumerables desarrollos que mejorarán la calidad de vida de las personas.
El diccionario de la Real Academia define el polímero como un compuesto químico, natural ó sintético, que consiste esencialmente en unidades estructurales repetidas. El término viene del griego “poli”, muchos, y “meros”, parte o segmento.

Instalaciones eléctricas residenciales - Estructura de un polímero

En las últimas décadas, la investigación científica ha desarrollado numerosos polímeros artificiales a partir de pequeñas moléculas orgánicas. La frecuencia cada vez mayor con que son utilizados estos materiales se debe a que tienen un conjunto atractivo de propiedades, entre las que destacan su resistencia a la corrosión y al ataque químico, su baja densidad y conductividad eléctrica y térmica, una elevada resistencia específica y, sobre todo, su versatilidad.
Los primeros polímeros sintéticos se desarrollaron mediante transformaciones de polímeros naturales. En 1870, el inventor norteamericano John Wesley Hyatt ganó un concurso, en que se buscaba un material que sustituyese al marfil de las bolas de billar, gracias al celuloide, un polímero basado en la celulosa, el material básico de las paredes celulares de las plantas. Este descubrimiento marcó el inicio de la industria de los polímeros.
Por otra parte, el primer polímero totalmente artificial se obtuvo en 1909, cuando el químico belga Leo Hendrik Baekeland fabricaba a partir de los compuestos formaldehído y fenol la baquelita, un material duro, inmune a las sustancias químicas fuertes, aislante eléctrico y resistente al calor, de gran utilidad en la fabricación de innumerables productos para el hogar y piezas eléctricas.
Otros polímeros importantes se sinterizaron en años siguientes, como el poliestireno (PS) en 1911 y el policloruro de vinilo (PVC) en 1912, revolucionaron a las industrias de aislamientos, embalajes, productos del hogar, revestimientos y textiles. El químico norteamericano Wallace Hume Carothers, trabajando en la empresa DuPont desde 1928, desarrolló un gran número de nuevos polímeros que revolucionaron la industrial textil, como el poliéster, el neopreno, la poliamida o el nylon. La necesidad de nuevos materiales en la Segunda Guerra Mundial contribuyó al avance de los polímeros, obteniéndose por ejemplo caucho sintético, fundamental para elevar la producción de neumáticos.

Instalaciones eléctricas residenciales - Cordón telefónico

Como la gran mayoría de estos polímeros son maleables al calentarse, se les llama “plásticos”, palabra de origen griego que significa “capaz de ser moldeable”. Hoy en día podemos decir que cualquier persona utiliza una gran cantidad de polímeros sintéticos a diario, desde un simple envase hasta complejos materiales de alta tecnología que pueden utilizarse en prótesis de cadera o en antenas de comunicación.
Así es como se ha dado el gran impulso a la segunda mitad del siglo XX a las investigaciones, que ha propiciado la creación de todo tipo de nuevos materiales poliméricos con propiedades y características especiales, es el año 2000 cuando la Academia Sueca les otorgó el Premio Nobel de Química a Alan Heeger, Alan MacDiarmid (ambos norteamericanos) y al japonés Hideki Shirakawa por su contribución al conocimiento y desarrollo de la ciencia de los polímeros orgánicos conductores de la electricidad, también conocidos como “metales sintéticos” donde después de ciertas modificaciones, un plástico puede convertirse en conductor de electricidad.

Instalaciones eléctricas residenciales - Hideki Shirakawa, Alan MacDiarmid y Alan Heeger

Los materiales conocidos como polímeros conductores combinan las propiedades eléctricas de los conductores metálicos con las múltiples ventajas de los plásticos.
Un polímero está formado por moléculas que repiten su estructura en forma periódica, dando como resultado una cadena muy larga. Los principales componentes de dichas moléculas son átomos de carbono e hidrógeno, además de otros elementos como el nitrógeno, el azufre y el oxígeno. Ninguno de estos elementos se destaca como buen conductor de la electricidad.


Los polímeros conductores se elaboran mediante un procedimiento que fue el resultado de una afortunada equivocación.
La historia se cuenta más o menos así: En 1967 Shirakawa ocupaba la plaza de investigador asociado en el laboratorio de Química del Instituto Tecnológico de Tokio. Un científico visitante estaba sintetizando un polímero conocido como poliacetileno a partir del acetileno. En lugar de obtener el polímero original, que tiene una apariencia de polvo oscuro y opaco, el visitante obtuvo una película lustrosa, similar al aluminio pero, al mismo tiempo, plegadiza como el plástico que se utiliza en las envolturas de productos comerciales. Dicho producto presentaba, además, una conductividad inusualmente elevada. Al investigar el origen de estos sorprendentes cambios, Shirakawa descubrió que tal sustancia había sido originada por un error. Durante el proceso de polimerización, el visitante había agregado una cantidad mil veces superior del catalizador requerido en el protocolo de la síntesis. Aunque la función del catalizador es favorecer la reacción de polimerización, una cantidad excesiva de este reactivo provocó importantes cambios en la estructura del polímero.
Por casualidad, esta brillante película plateada llamó la atención del profesor Alan G. MacDiarmid, quien invitó a Shirakawa a trabajar con él en los Estados Unidos. En septiembre de 1976 se unió a la investigación el profesor Alan J. Heeger, de la Universidad de Pensilvania.
La introducción del catalizador en la sustancia produce una perturbación en la misma, ya sea removiendo electrones (una oxidación) o agregándolos (reducción). Este proceso se denomina dopaje. Tal y como ocurre con los materiales semiconductores, 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, se logró aumentar la conductividad del plástico en mil millones de veces
Desde este afortunado descubrimiento se ha podido emplear el dopaje en diversos polímeros, como las polianilinas, logrando nuevamente un aumento considerable de la conductividad. En términos de conductividad, medida en Siemens (S), la diferencia entre buenos aislantes y buenos conductores es gigantesca.
Como comparación, podemos mencionar que buenos aislantes como el teflón ó el poliestireno poseen conductividades muy cercanas a los 0 S por centímetro, mientras que los buenos conductores como el cobre y la plata tienen conductividades de casi 1.000.000 S por centímetro.

Instalaciones eléctricas residenciales - Reactivos químicos

Algunos productos comerciales, derivados de una forma muy pura del poliacetileno, pueden llegar a tener una conductividad de hasta 200.000 S por centímetro. Aquí entra en juego un factor muy importante: la densidad de los materiales en cuestión. Tanto el cobre como la plata son mucho más densos que el poliacetileno; por lo tanto, si la comparación es realizada a masas iguales, la conductividad del polímero duplica a la del cobre. Esta propiedad es de especial importancia en aplicaciones donde el peso resulta crítico, como es el caso de los transportes aéreos y espaciales.
Los polímeros conductores son materiales con enormes posibilidades de aplicación: ser sustitutos del cobre y otros metales, para generar pantallas de teléfonos celulares y de computadoras portátiles, dado que estos materiales pueden almacenar una cantidad importante de energía por unidad de peso ó volumen se podrán construir baterías recargables ó podrán ser utilizados como nervios artificiales, que serían prácticamente inertes dentro del cuerpo humano.

Instalaciones eléctricas residenciales - Piezas hechas de polímeros

Actualmente sigue avanzando la línea de investigación en esta rama de los polímeros la cual cada vez encuentra nuevas aplicaciones y mejores desarrollos.

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