Los polipirroles - UPMateriales

Por Rafael Ruiz Iglesias, alumno de primer curso del Grado en Ingeniería de Materiales, UPM

Tres científicos fueron galardonados con el premio nobel de química en el año 2000 por descubrir y llevar a cabo el desarrollo de polímeros conductores.

Los polímeros electrónicamente conductores son estructuras orgánicas cuya cadena carbonada consiste en enlaces alternados sencillos, dobles o triples. En los polímeros tradicionales como el polietileno, los electrones de valencia se localizan en enlaces covalentes correspondientes a orbitales híbridos sp3. Tales electrones tienen baja movilidad y no contribuyene a la conductividad eléctrica del material. Típicamente, los átomos de carbono en polímeros conductores tienen enlaces covalentes a través de electrones en orbitales híbridos sp2 y adicionalmente un electrón de valencia en un orbital pz: todos los electrones en orbitales pz se combinan para dar lugar a un conjunto de orbitales deslocalizados a lo largo de la molécula. Uno de los polímeros conductores más importantes es el polipirrol, y el mecanismo de conducción eléctrica se explica en este caso por la presencia de átomos donores o aceptores de electrones, como se explica más abajo .

La obtención del polipirrol se lleva a cabo mediante la pirolisis del tri- o tetra-yodopirrol (el pirrol es un compuesto orgánico aromático constituido por un anillo de cinco átomos, cuya fórmula química es C₄H₅N). En presencia de solución acida y en ausencia de oxidantes el pirrol polimeriza por adición, obteniendo así una mezcla de varios productos de reacción, que se obtiene como un precipitado negro insoluble. Al obtener este polvo negro con diferentes oxidantes se observó que su composición dependía enormemente de las condiciones de reacción. La temperatura es un factor que influye en los niveles de conductividad eléctrica del polipirrol, empeorándolos al aumentar la temperatura. Por otro lado, los mayores niveles de conductividad eléctrica se obtienen con un tiempo de reacción de 20-30 minutos.

Al incorporar sustancias donoras o aceptoras de electrones en el polipirrol aumenta su conductividad eléctrica σ unas 10^10-20veces. Este aumento en σ se debe a que en estos polímeros existe una alternancia de simples y dobles enlaces. La estructura de bandas de estos materiales es similar a la de los aislantes y semiconductores: su banda de valencia está completa, su banda de conducción se halla vacía quedando las dos bandas separadas entre sí por cierto intervalo energético (1.5-3 eV). Con el fin de alterar esta estructura se emplea el dopado, tomando electrones de la banda de valencia (dopado positivo) o cediendo electrones a la banda de conducción (dopado negativo). Como resultado, el polímero se convierte en conductor porque la banda de valencia o la banda de conducción quedan llenas parcialmente. Dependiendo del reactivo empleado para dicho proceso se obtendrá una conductividad que va de 2 a 100 S/cm (Los valores más altos corresponden a los aniones más grandes, como por ejemplo el tosilato).

Hoy en día este material se emplea para diversas aplicaciones tecnológicas como microelectrónica, óptica, blindajes electromagnéticos o iónicos, conductores electrónicos, películas calefactoras o emisores de luz. Centrándonos en sus propiedades electroquímicas, podemos encontrar finalidades muy curiosas como por ejemplo la obtención de músculos artificiales. Un músculo puede ser considerado como un dispositivo electroquimiomecánico: el cerebro emite un pulso eléctrico a través del sistema nervioso desencadenando reacciones químicas y provocando un cambio en una longitud, obteniendo como resultado un movimiento macroscópico. Procesos similares son descritos con los polipirroles. En el laboratorio del Profesor Toribio Fernández Otero, en la Universidad del País Vasco, fue desarrollado un sistema de dos capas (polímero conductor/polímero no conductor, adherente y flexible) para transformar los movimientos moleculares microscópicos en movimientos macroscópicos.

El músculo artificial, al estar basado en procesos electroquímicos reversibles, tiene un comportamiento reversible. Todos los parámetros que actúan sobre los procesos de oxidación reducción influyen en la velocidad de movimiento. Han sido desarrollados músculos capaces de levantar 1000 veces su propio peso. Como en un músculo natural un pulso eléctrico desencadena reacciones químicas que originan un cambio de volumen y un trabajo mecánico. Ambos procesos ocurren en medio acuoso con flujos de iones a través de membranas.