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Tecnología

Polímeros conductores bajo control

Brasileños dominan la nova área de la tecnología de materiales que alcanzó el Premio Nobel de Química de 2000

Científicos brasileños ya dominan una de las áreas más promisorias de la tecnología de materiales: la de los polímeros conductores y semiconductores, también llamados metales sintéticos. Esos plásticos que conducen electricidad – y cuyo descubrimiento les reportó a tres científicos el Premio Nobel de Química de 2000 – están destinados a convertirse en una de las principales materias primas de componentes de aparatos y dispositivos electrónicos.

Para develar su potencial, un grupo de investigadores trabaja en el proyecto temático Polianilina y Poli (p-Fenileno Vinileno) como Elementos Activos de Dispositivos Electrónicos y Optoelectrónicos, financiado por la FAPESP. Coordinado por Roberto Mendonça Faria, del Instituto de Física de San Carlos de la Universidad de São Paulo (IFSC-USP), el proyecto cuenta con la participación de la Escuela Politécnica y de la Facultad de Ciencias y Letras de Ribeirão Preto, ambas de la USP.

El profesor Faria pertenece al Grupo de Polímeros Bernhard Gross (GPBG), que hace más de 20 años investiga las propiedades eléctricas y físicoquímicas de materiales poliméricos y, desde el inicio de los años 90, estudia polímeros conjugados (conductores y semiconductores). El GPBG, que colaboró con uno de los ganadores del Nobel de Química de 2000 – el estadounidense Alan G. MacDiarmid, con quien Faria publicó trabajos en conjunto -, domina desde la síntesis de esos polímeros electrónicos hasta la fabricación de dispositivos (transistores, diodos emisores de luz, etc.), pasando por la tecnología de producción y caracterización de películas orgánicas ultradelgadas. Entre las posibles aplicaciones de esos dispositivos se encuentran la fabricación de las pantallas planas para televisores y monitores, en reemplazo del centenario tubo de rayos catódicos, y el uso de dispositivos orgánicos en medicina.

Química muda Física
Hasta mediados de los años 70, nadie se arriesgaba a aventurar a que algún compuesto orgánico fuera buen conductor de electricidad. El descubrimiento, que sacudió conceptos del mundo dela física de la materia condensada surgió en un laboratorio de química. Los responsables de ese giro – los químicos Alan G. MacDiarmid, de la Universidad de Pensilvania (Estados Unidos), y Hideki Shirakawa, de la Universidad de Tsukuba (Japón), junto al físico estadounidense Alan J. Heeger, de la Universidad de Santa Bárbara – recibieron el Nobel de Química de 2000. “Una prueba de que la ciencia no vive en un solo lugar”, recuerda Adnei Melges Andrade, profesor de la Politécnica que participa en el proyecto.

El descubrimiento se produjo por accidente. El asistente chino de Shirakawa realizaba la síntesis del poliacetileno, polímero simple formado por carbono e hidrógeno. Como no entendía bien japonés, acabó equivocándose al seguir la ruta dada por su jefe Shirakawa. En lugar del resultado esperado – un polvo para infusión -, el asistente produjo una extraña película polimérica.

Intrigado con aquel material de brillo metálico, Shirakawa trató de guardarlo cuidadosamente. Tiempo después, no hesitó en mostrárselo a MacDiarmid, que estaba de paso en Japón. Se iniciaba así una sociedad que resultaría en una nueva línea de investigación, hoy seguida en muchos países. Por invitación de MacDiarmid, Shirakawa fue a Pensilvania, y ambos, junto con Heeger, empezaron a investigar las propiedades fisicoquímicas del poliacetileno.

Dopaje químico
Al develar el misterio de aquella película, ellos se vieron ante una nueva técnica, capaz de transformar un material originariamente aislante en un excelente conductor de la electricidad. Conocido como dopaje químico, este procedimiento es muy sencillo: moléculas de ácido – llamadas moléculas dopantes – son inyectadas en el polímero e intercambian cargas eléctricas con sus moléculas. “El método es reversible, es decir, puede doparse y desdoparse el material, lo que permite el total control del grado de conductibilidad que se pretende alcanzar”, explica Roberto Faria.

Los polímeros conductores hace años que atraen a los científicos, que enseguida les encontraron aplicaciones. La primera de ellas fue el revestimiento de un avión indetectable por los radares, el caza norteamericano F-117 Stealth, usado en la Guerra del Golfo. Otra fue el blindaje de equipamientos electrónicos.Contrariamente a lo que se pensaba, no fue la alta condutibilidad, sino las propiedades semiconductoras – obtenidas por la interrupción del proceso de dopaje ya en la fase inicial – que aumentaron el potencial de mercado de dichos polímeros. Debido a sus propiedades optoelectrónicas – conducen la electricidad y también emiten luz cuando son estimulados por medio de corriente eléctrica o radiación luminosa -, prometen ser las estrellas de la electrónica del siglo XXI.

Arco iris
El objetivo mayor es, con el apoyo de empresas de tecnología, implementar un prototipo de línea de producción de los dispositivos en los laboratorios involucrados. Los investigadores ya dominan todo el proceso de síntesis y fabricación de las películas poliméricas ultradelgadas. Otra etapa de las investigaciones, coordinada por Adnei Andrade, está llevándose adelante en el laboratorio de microelectrónica de la Politécnica: parte de la confección y caracterización de dispositivos como transistores, diodos y células solares. El proyecto tiene tres etapas.

La primera consiste en la producción de las películas, que empieza con la síntesis de los polímeros, coordinada por la química Débora Tereza Balogh. Ella trabaja con el polímero básico poliparafenileno, que es sometido a las reacciones químicas necesarias para ser más o menos conductor. Es también por medio sustitucionesquímicas que el mismo adquiere varias colores, de acuerdo con la elección de los grupos laterales de las cadenas.

Diluida en solvente en un tubo de ensayo, la materia prima ya muestra un bonito efecto luminescente: basta encender una luz o hacer pasar una corriente eléctrica para que el líquido brille como una lámpara. Eso ocurre porque la estructura de los materiales semiconductores poliméricos contienen “centros” en donde los portadores, positivos y negativos, se “localizan”. En esos “centros” se produce una recombinación entre los portadores negativos (electrones) y los positivos (agujeros), en un proceso denominado transición electrónica.

Dicha transición resulta en la liberación de energía en forma de luz. Los colores emitidos – rojo, anaranjado, amarillo y azul – varían según el polímero fabricado o el derivado a partir de grupos laterales sustituidos. En el laboratorio de química de GPBG, alumnos de maestría y doctorado investigan nuevos productos y nuevas rutas de síntesis con el objetivo de obtener el máximo de colores del arco iris.

Finísimo y aséptico
Después de la síntesis, viene la confección de la película. Existen varios métodos para ello. En los laboratorios del GPBG se dispone de, desde métodos de producción de filmes de estructura desordenada, hasta aquellos cuya estructura tiene un alto grado de ordenamiento molecular. El más sofisticado es el método Langmuir-Blodgett, que permite producir películas del espesor de una capa molecular, es decir, de algunos nanómetros o millonésimas de milímetros. Ese espesor monomolecular es suficiente para otorgarle al material las propiedades optoelectrónicas deseadas.

Empero el trabajo exija caros equipamientos de punta – una cuba Langmuir-Blodgett con sus accesorios puede costar hasta 60 mil dólares -, la producción sigue un principio simple. En contacto con el agua, el polímero diluido se esparce por la superficie en una fina película, como si fuera aceite en suspensión. El equipamiento permite controlar todas las condiciones necesarias para formación del film, así como sus dimensiones. De ese modo la película es trasladada a un sustrato – lámina de vidrio u otro material que permita una adhesión perfecta -, condición indispensable para las etapas subsiguientes.

Para que salga bien, esa delicada operación tiene que hacerse en un ambiente totalmente controlado. Si no fuera por los equipos, la “sala limpia”, como se lo llama al laboratorio, se confundiría con un quirófano. “El agua usada en las cubas es superpurificada y cualquier ‘tierrita’ puede comprometer el trabajo de todo un día”, explica José Alberto Giacometti, investigador del GPBG. Por eso los científicos trabajan debidamente vestidos, con overol, capucha, máscara y pantuflas.

Exámenes y productos
Las películas producidos pasan entonces por una batería de exámenes. La estructura molecular es caracterizada en el laboratorio de microscopía del GPBG, equipado con microscopios electrónico (SEM) y de fuerza atómica (AFM), que alcanzan una resolución de 0,1 nanómetro. También se realizan estudios ópticos de los materiales, coordinados por el especialista en fotoluminescencia Francisco E. G. Guimarães, e investigaciones sobre sus propiedades magnéticas en el laboratorio de Carlos F. O. Graeff,en la Facultad de Filosofía, Ciencias y Letras de RibeirãoPreto.

De esa manera, la película está lista para su uso en la producción de los dispositivos,realizada en colaboración con la Escuela Politécnica, donde el físico Adnei Andrade coordina el trabajo. Especializado en ingeniería eléctrica con trabajos publicados en revistas internacionales, Andrade ya ha construido diversos dispositivos emisores de luz (LEDs), transistores por efecto de campo y diodos fotovoltaicos.

El desarrollo de dichos dispositivos ayuda a los investigadores a entender mejor los mecanismos electrónicos involucrados para poder otimizarlos. Pero ese know-how, en especial para la confección de displays, tiene grandes posibilidades de derivar en un producto comercial, asegura Andrade.

Varias publicaciones
En los últimos cinco años, el GPBG produjo alrededor de 50 artículos internacionales sobre polímeros conductores y semiconductores, más allá de trabajos presentados en congresos y simposios. En la última Conferencia Internacional sobre Ciencia y Tecnología de Metales Sintéticos (International Conference on Science and Technology of Synthetic Metals), realizada en julio en la ciudad austríaca de Badgastein, cerca de 30 de los mil trabajos fueron de brasileños, de los duales 20 eran del GPBG.

“Brasil ya no pasa más desapercibido en el escenario internacional”, destaca Faria. Tanto es así que, en una de las mencionadas conferencias, realizada hace cerca de diez años, quedó establecida una estrecha colaboración entre el GPBG y MacDiarmid. La primera visita de Faria a la Universidad de Pensilvania, en 1990, fue fundamental para la asociación que redundó en la publicación de varios trabajos. El último de estos, que le representó el doctorado a José Eduardo Albuquerque, y que contó con la participación de otros dos brasileños – Luiz Henrique Mattoso y Débora Terezinha Balogh -, fue fundamental para la secuencia de investigaciones del grupo sobre polianilinas.

El entonces doctorando Luiz Mattoso, directamente dirigido por MacDiarmid, trajo a Brasil el método de síntesis de polianilinas, que reemplazaron con ventajas a los polímeros utilizados hasta ahora. Las polianilinas, más estables en contacto con el medio ambiente, son más fácilmente sintetizadas y procesadas.En la visita que MacDiarmid efectuó a los laboratorios del IFSC, Faria confirmó la impresión que tenía acerca del científico: “Es un hombre con una energía y una capacidad de trabajo fuera de lo común. Por eso lograr sacarles el máximo a sus alumnos y dejarlos siempre exhaustos, pero es siempre tan gentil que nadie consigue negarle un pedido”, completa.

TVs y computadoras menores

Los investigadores del GPBG enumeran las muchas aplicaciones de los polímeros semiconductores. Al ser capaces de convertir electricidad en luz sin generar calor – la llamada luz fría -, son ideales para la construcción de dispositivos luminosos de advertencia, como los llamados LEDs (light emitting diodes, o diodos emisores de luz), utilizados en tableros de instrumental de automóviles, por ejemplo. “Mejorando su eficiencia en la emisión de luz, dichos materiales podrán usarse incluso en la iluminación de áreas mayores, reemplazando a las actuales lámparas”, asegura Faria.

Otro campo de aplicación son las pinturas: en lugar de las resinas poliméricas comunes, las mismas podrían contener resinas luminescentes, por ejemplo. “De esa manera, se puede obtener una pintura para paredes que emita luz”, agrega el investigador. Los polímeros, maleables, pueden inyectarse, soplarse o usarse como revestimiento bajo forma de filmes o películas ultradelgadas, que son precisamente el foco de la investigación de GPBG. Esas películas también se estudian para la fabricación de las pantallas planas de televisores, que permiten transformar los aparatos en una especie de cuadro, que se cuelga en la pared.

Aún existen obstáculos para hacer que esos televisores sean comercialmente viables, como la definición y la velocidad de la imagen, pero Faria recuerda que grandes empresas del sector invierten en investigación para superarlos. Un ejemplo de ello es la Dupont, una de las mayores en el área de polímeros, que compró a Uniax – empresa creada por Heeger en la Universidad de Santa Bárbara – para producir LEDs y pantallas planas. Philips también está comprando una empresa generada en la Universidad de Cambridge (Inglaterra), y Sony invierte en productos originados en la Universidad de Nagoya (Japón).

Como desdoblamiento de ello, también las computadoras van a ser mucho menos voluminosas y más baratas: las pantallas planas abaratarán el precio de los monitores, que actualmente representan cerca del 50% del costo de los aparatos. En el caso de los notebooks, podrían ser perfeccionados, con la eliminación del efecto provocado por la emisión de luz directa, que hace que se pierda el foco de la imagen según el ángulo de visión. Otra aplicación importante son los visores o displays, como los de los teléfonos celulares.

Y la medicina ya augura importantes avances basados en los polímeros, que se prestan para la fabricación de implantes tales como los marcapasos o para reconstitución de músculos que perdieron la capacidad de movimiento. “Como son materiales orgánicos, ofrecen menos riesgo de rechazo “, concluye Faria.

EL PROYECTO
Polianilina y Poli (p-Fenileno Vinileno) como Elementos Activos de Dispositivos Electrónicos y Optoelectrónicos
Modalidad
Proyecto temático
Coordinador
Roberto Mendonça Faria – Instituto de Física de San Carlosde la Universidad de São Paulo
Inversión
R$ 150.000,00 y US$ 110.000,00

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